JP4713355B2 - Active vibration control device - Google Patents
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本発明は、基盤と質量体の間に制御力をアクチュエータによって発生し、振動を抑制するアクティブ振動制御装置に係り、特に、非周期的に振動する基盤の振動抑制に適したアクティブ振動制御装置に関する。 The present invention relates to an active vibration control device that generates a control force between a base and a mass body by an actuator and suppresses vibration, and more particularly to an active vibration control device that is suitable for suppressing vibration of a base that vibrates aperiodically. .
従来のアクティブ振動制御装置における制御力の潰算方法として、スカイフックダンパ理論が良く知られている。スカイフックダンパ理論は、制御される質量体の絶対速度に対して減衰力を作用させ、基盤基準ではなく、絶対静止空間に対して振動を収束させるように制御を行う理論である。実際には、加速度センサによって計測した質量体の絶対加速度を積分することで質量体の絶対速度を計算し、その絶対速度に減衰係数を乗じた制御力を、質量体に対して絶対速度と逆向きに加える。この制御理論は質量体の絶対振動を低減するのに効果的である。 Skyhook damper theory is well known as a method for calculating a control force in a conventional active vibration control device. The skyhook damper theory is a theory that controls damping so that the damping force acts on the absolute velocity of the mass body to be controlled, and the vibration is converged on the absolute static space instead of the base standard. In practice, the absolute velocity of the mass body is calculated by integrating the absolute acceleration of the mass body measured by the acceleration sensor, and the control force obtained by multiplying the absolute velocity by the damping coefficient is the inverse of the absolute velocity for the mass body. Add in the direction. This control theory is effective in reducing the absolute vibration of the mass body.
ところで、上述したスカイフックダンパ理論によるアクティブ振動制御装置における制御力の演算方法を用いると、基盤と質量体の相対変位に関しては、逆に増大することになるが、質量体を基盤上に防振する場合、一般的に、両者の相対変位が増大するのは好ましくない。また、加速度計測においては高周波ノイズの混入やゼロ点のずれ等は避けられないが、特にゼロ点のずれは絶対加速度を積分して絶対速度を計算する過程において、絶対速度を発散させるため、制御不能な状態に陥る原因となる。 By the way, if the calculation method of the control force in the active vibration control device based on the Skyhook damper theory described above is used, the relative displacement between the base and the mass body will increase conversely. In general, it is not preferable that the relative displacement between the two increases. In acceleration measurement, high-frequency noise and zero point deviation are unavoidable. In particular, the zero point deviation is controlled in order to diverge the absolute velocity in the process of calculating the absolute velocity by integrating the absolute acceleration. It becomes the cause which falls into an impossible state.
このゼロ点のずれに関する問題に対処するためには、スカイフックダンパ理論によって計算された減衰力に対して周波数重み付けを行い、ゼロ点のずれに対して制御を働かせないようにする方法が考えられる(例えば、特許文献1参照)。周波数重み付けを行うには、演算された減衰力に低周波信号を減衰するハイパスフィルタ(HPF)処理を行う。このHPF処理をアナログ回路で行う場合には、IIR(Infinite Impulse Response)型のフィルタを用いることになる。一方、加速度をA/D変換にてデジタル化した後にフィルタ処理を行う場合には、IIR型の他に、FIR(Finite Impulse Response)型のフィルタを使用することもできる。ただし、FIR型フィルタを用いる場合、フィルタ出力にはフィルタ係数長の1/2に相当する無駄時聞が生ずるため、FIR型フィルタは主に無駄時間を周期的な振動に同期させられることが可能な場合に使用される(例えば、エンジン振動のような周期的な振動が対象となる場合)。したがって、対象とする振動が非周期的な場合、一般的にIIR型フィルタが用いられる。 In order to deal with this problem of zero point deviation, a method is considered in which frequency weighting is applied to the damping force calculated by the Skyhook damper theory so that control is not applied to the zero point deviation. (For example, refer to Patent Document 1). In order to perform frequency weighting, a high-pass filter (HPF) process for attenuating a low-frequency signal to the calculated damping force is performed. When this HPF process is performed by an analog circuit, an IIR (Infinite Impulse Response) type filter is used. On the other hand, when the filter processing is performed after the acceleration is digitized by A / D conversion, an FIR (Finite Impulse Response) type filter can be used in addition to the IIR type. However, when a FIR filter is used, a waste time corresponding to 1/2 of the filter coefficient length occurs in the filter output, so the FIR filter can mainly synchronize the dead time with periodic vibration. (For example, when periodic vibration such as engine vibration is a target). Therefore, when the target vibration is aperiodic, an IIR filter is generally used.
IIR型フィルタを用いたHPF処理(低周波除去)は、例えば、カットオフ周波数を1[Hz]とした場合、図2示すようなゲイン・位相特性を有し、1[Hz]で−3[dB](約−30[%])の減衰と、π/2[rad]の位相進みが生ずる。この位相進みは、特許文献1にも述べられているように、制御性を著しく悪化させるものであり、その点を詳細に説明する。
For example, when the cutoff frequency is 1 [Hz], the HPF processing (low frequency removal) using the IIR filter has gain / phase characteristics as shown in FIG. dB] (about −30 [%]) and a phase advance of π / 2 [rad]. This phase advance significantly deteriorates the controllability as described in
図1は、簡単な振動モデルを示している。質量体1は、基盤2上にばね3およびダンパ4によって防振支持されており、さらに、質量体1と基盤2の間には制御力を発生するアクチュエータ5が設けられている。また、質量体1には、加速度センサ6が取り付けられ、制御手段7にて加速度センサ6によって計測された絶対加速度から質量体1の絶対速度を計算する。そして、計算された絶対速度に比例し、逆向きの制御力をアクチュエータ5によって質量体1に付加する。基盤2にはランダム振動を与え、その基盤振動によって質量体1が強制加振される。
FIG. 1 shows a simple vibration model. The
図3は、図2の振動モデルにおける基盤2から質量体1への加速度伝達率を示している。図3には、アクティブ振動制御を行わないパッシブモデル(図中、細い実線で示す)と、低周波ノイズを含まない真の絶対加速度を用いてIIR型HPF処理を行わない理想的なアクティブ振動制御を行ったモデル(図中、点線で示す)、さらに、IIR型HPF処理を行った現実的なアクティブ振動制御モデル(図中、太い実線で示す)を比較して示してある。
FIG. 3 shows an acceleration transmission rate from the
図3より、IIR型HPF処理を行った現実的なモデルは、理想的なモデルと比較して、1.5[Hz]付近の共振倍率が大きくなっていることが分かる。これが、上述したハイパスフィルタの位相進みに起因する影響である。 From FIG. 3, it can be seen that the realistic model subjected to the IIR type HPF process has a larger resonance magnification in the vicinity of 1.5 [Hz] than the ideal model. This is an influence resulting from the phase advance of the high-pass filter described above.
さらに、図4を用いて、IIR型HPFによる位相進みが共振倍率の増加につながるメカニズムについて説明する。図4に示すように、周波数f[Hz]の振動成分は、複素平面において実部と虚部を成分に持つベクトルがf[Hz]で回転している様に表現できる。ある瞬間、質量体1の加速度がベクトル[1,0]の位置にあるとする。この時、速度は位相−π/2[rad]、振幅1/(2πf)、すなわち、べクトル[0,−1/(2πf)]であり、変位はベクトル[−1/(2πf)2,0]となる。したがって、スカイフツクダンパ理論における理想的な減衰力は、速度と逆向き(位相π進める)で,アクティブ減衰係数caを乗じたベクトル[1,ca/(2πf)]となる。一方、IIR型HPF処理を行った絶対加速度から絶対速度を計算すると、位相が進んでいるため、図4のような位相関係になる。
Furthermore, a mechanism in which the phase advance by the IIR HPF leads to an increase in the resonance magnification will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, the vibration component of the frequency f [Hz] can be expressed as a vector having real and imaginary parts as components in the complex plane rotates at f [Hz]. It is assumed that the acceleration of the
ここで、図5を用いて、質量体1の変位および速度と、質量体1に作用する力の関係で、振動系がどのような状態になるかを説明する。図5では、ベクトルの向きだけを考え、大きさについては考慮しない。複素平面上で、ある周波数における質量体1の変位をベクトル[−1,0]とする(分かりやすいように、図5におけるスカイフックダンパ理論の説明と位相を合わせた)。このとき、速度はベクトル[0,−1]である。それに対して、質量体1に作用する外力が、変位と逆位相のベクトル[1,0]である場合、その力を復元力と呼ぶ。復元力は所謂ばね力である。また、外力が速度と逆位相のベクトル[0,1]である場合、その力を減衰力と呼ぶ。減衰力はいわゆる粘性減衰による力(ダンパ力)である。パッシブの振動系では、外力が復元力と減衰力の組み合わせで構成され、それにより質量体1が振動している。そして、パッシブ振動系のように、外力ベクトルが復元力ベクトルと減衰力ベクトルの間にある場合、その振動系は安定である。しかしながら、外力ベクトルが復元力ベクトルと減衰力ベクトルの間から外れている場合、例えば、変位ベクトルと同じベクトル[−1,0]を持つ場合、その外力は推進力になる。さらに、速度ベクトルと同じベクトル[0,−1]を持つ場合、その外力は発振力になる。つまり、外力ベクトルが復元力ベクトルと漬衰力ベクトルの間から外れている場合、その振動系は不安定である。したがって、安定なアクティブ振動制御を行うには、質量体1に作用する外力の総和が、復元力ベクトルと減衰力ベクトルの間に入っていなければならない。なお、外力ベクトルが安定な領域にあっても、復元力ベクトルに近づくほど振動的になるので、できる限り減衰力ベクトルに近い方が好ましい。
Here, with reference to FIG. 5, the state of the vibration system will be described based on the relationship between the displacement and speed of the
上記説明を踏まえて、図4の説明に戻ると、IIR型HPF処理を行った場合の画制御力ベクトルは安定な領域から外れているため、振動系は不安定になる。つまり、この不安定さが、IIR型HPF処理を行ったアクティブ振動制御モデルにおける、1.5[Hz]付近の振動伝達率増加を引き起こしている。 Returning to the description of FIG. 4 based on the above description, the image control force vector when the IIR type HPF processing is performed is out of the stable region, and therefore the vibration system becomes unstable. That is, this instability causes an increase in vibration transmissibility in the vicinity of 1.5 [Hz] in the active vibration control model in which the IIR type HPF process is performed.
上述したように、スカイフックダンパ理論によるアクティブ振動制御では、低周波数における基盤2と質量体1の相対変位を低減するため、および、加速度計測に起因する低周波ノイズを除去するために、現実的に計測した絶対加速度に対してIIR型HPF処理を行う必要があり、それによって、制御性が悪化するという問題がある。
As described above, the active vibration control based on the skyhook damper theory is realistic in order to reduce the relative displacement between the
本発明の目的は、制御性の向上したアクティブ振動制御装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an active vibration control device with improved controllability.
(1)上記目的を達成するために、本発明は、非周期的に振動する基盤と、その基盤上に設置される質量体と、前記基盤あるいは前記質量体の運動情報から制御力を演算する制御手段と、前記制御手段からの指令によって前記基盤と前記質量体の間に制御力を発生するアクチュエータとを有するアクティブ振動制御装置において、前記制御手段は、未来の質量体の振動情報を、現在の質量体の加速度および速度を初期値として、速度が自由振動的に収束すると仮定して計算するとともに、過去の質量体の運動情報と未来の質量体の振動情報から、FIRデジタルフィルタ処理によって所定の周波数重み付けがなされた振動情報を演算し、その振動情報を元に所定のアクチュエータ制御力を演算するようにしたものである。
かかる構成により、アクティブ振動制御における制御性を向上し得るものとなる。
(1) In order to achieve the above object, the present invention calculates a control force from a base that vibrates aperiodically, a mass installed on the base, and motion information of the base or the mass. In an active vibration control apparatus having a control means and an actuator that generates a control force between the base and the mass body in response to a command from the control means, the control means transmits vibration information of a future mass body the acceleration and velocity as the initial value of the mass, with the speed is calculated assuming converging free vibration manner, from the vibration information of the exercise information of past mass body and future mass body, FIR digital filter processing Is used to calculate vibration information with a predetermined frequency weighting, and to calculate a predetermined actuator control force based on the vibration information.
With this configuration, controllability in active vibration control can be improved.
(2)上記(1)において、好ましくは、前記制御手段は、前記の自由振動の固有振動数が過去の質量体の振動情報に適応して随時更新されるものである。 ( 2 ) In the above ( 1 ), preferably, the control means is such that the natural frequency of the free vibration is updated as needed in accordance with past vibration information of the mass body.
(3)上記(2)において、好ましくは、前記制御手段は、直前に計測された絶対加速度周波数を、前記の自由振動の固有振動数とするものである。 ( 3 ) In the above ( 2 ), preferably, the control means uses the absolute acceleration frequency measured immediately before as the natural frequency of the free vibration.
本発明によれば、アクティブ振動制御装置における制御性を向上することができる。 According to the present invention, the controllability in the active vibration control device can be improved.
以下、図1及び図6〜図12を用いて、本発明の一実施形態によるアクティブ振動制御装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図1を用いて、本実施形態によるアクティブ振動制御装置の構成について説明する。
図1は、本発明の一実施形態によるアクティブ振動制御装置において用いる過去と未来の振動の説明図である。
Hereinafter, the configuration and operation of the active vibration control device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 6 to 12.
First, the configuration of the active vibration control device according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is an explanatory diagram of past and future vibrations used in an active vibration control apparatus according to an embodiment of the present invention.
本実施形態によるアクティブ振動制御装置は、基盤2および質量体1がばね3とダンパ4で結合された減衰振動系システムであり、ばね3とダンパ4に並列にアクチュエータ5が設けられている。質量体1には、加速度センサ6が設けられ、加速度センサ6で計測された質量体1の絶対加速度は、制御手段7にてA/D変換されデジタル値として制御プログラムに取り込まれる。さらに、制御手段7は、アクチュエータ5に制御指令を出力し、アクチュエータ5はその制御指令を受け質量体1に制御力を作用させる。
The active vibration control apparatus according to the present embodiment is a damped vibration system in which a
本実施形態によるアクティブ振動制御装置は、ホイルローダ,ダンプトラック,パワーショベル等の作業機械や、自動車等の車両の振動制御に用いられるが、特に、ホイルローダ,ダンプトラック,パワーショベル等の作業機械に用いるに好適である。すなわち、ホイルローダ,ダンプトラック,パワーショベル等の作業機械では、その走行路面は、不整地であることが多い。不整地のような走行路面からの振動は低周波であり、一方本実施形態のアクティブ振動制御装置は、低周波成分を除去して、より高周波成分の振動を抑制する。従って、本実施形態のアクティブ振動制御装置を用いた場合、不整地からの振動を抑制することはできない訳であるが、むしろ、走行路面からの振動は作業車両の運転者に伝わる方が走行しているという実感があり、地に足が着いているという運転感が得られ、好ましいものである。一方では、ホイルローダにおけるバケット作業による振動,ダンプトラックの架台操作に伴う振動,パワーショベルのブーム操作に伴う振動等は、本実施形態により、効果的に抑制できるものである。 The active vibration control device according to the present embodiment is used for a work machine such as a wheel loader, a dump truck, a power shovel, and a vibration control of a vehicle such as an automobile. In particular, it is used for a work machine such as a wheel loader, a dump truck, a power shovel. It is suitable for. That is, in a working machine such as a wheel loader, a dump truck, or a power shovel, the traveling road surface is often rough. The vibration from the road surface such as rough terrain has a low frequency, while the active vibration control device of the present embodiment removes the low frequency component and suppresses the vibration of the higher frequency component. Therefore, when the active vibration control device of the present embodiment is used, vibration from rough terrain cannot be suppressed. Rather, vibration from the traveling road surface is transmitted to the driver of the work vehicle. The driving feeling that the foot is on the ground is obtained, which is preferable. On the other hand, vibrations caused by bucket work in a wheel loader, vibrations associated with dump truck mount operations, vibrations associated with power shovel boom operations, and the like can be effectively suppressed by the present embodiment.
次に、図6を用いて、本実施形態によるアクティブ振動制御装置に用いる制御手段7の具体的構成について説明する。
図6は、本発明の一実施形態によるアクティブ振動制御装置に用いる制御手段の具体的構成を示すブロック図である。
Next, a specific configuration of the control means 7 used in the active vibration control apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a block diagram showing a specific configuration of the control means used in the active vibration control apparatus according to the embodiment of the present invention.
制御手段7は、過去振動記憶手段7Aと、未来振動予測手段7Bと、FIR型HPF処理手段7Cと、制御力演算手段7Dとを有している。過去振動記憶手段7Aは、加速度センサ6によって計測された質量体1の絶対加速度から過去の絶対速度を計算し、保持する。未来振動予測手段7Bは、過去振動記憶手段7Aに保持された過去の絶対速度や最新の計測値に基づいて、未来の絶対速度を推定する。FIR型HPF処理手段7Cは、過去振動記憶手段7Aに保持された過去の絶対速度と、未来振動予測手段7Bによって推定された未来の絶対速度に対して、FIR型HPF処理を行い、不要な低周波数成分を除去した絶対速度を計算する。制御力演算手段7Dは、FIR型HPF処理手段7Cによって求められた絶対速度にアクティブ減衰係数を乗じて、符号を反転することによってアクティブ制御力を求める。こうして求めた制御力を、アクチュエータ5に制御指令として出力し、アクチュエータ5は質量体1に制御力を作用させる。
The control means 7 includes past vibration storage means 7A, future vibration prediction means 7B, FIR type HPF processing means 7C, and control force calculation means 7D. The past vibration storage means 7A calculates and holds a past absolute velocity from the absolute acceleration of the
ここで、図7を用いて、本実施形態によるアクティブ振動制御装置において用いる質量体1の過去と未来の振動について説明する。
図7は、本発明の一実施形態によるアクティブ振動制御装置において用いる過去と未来の振動の説明図である。
Here, past and future vibrations of the
FIG. 7 is an explanatory diagram of past and future vibrations used in the active vibration control apparatus according to the embodiment of the present invention.
実際に計測された質量体1の絶対加速度をa(i)[m/s2]とする。ここで、i=−128〜i=−1が過去のサンプル、i=0が現在(最新)のサンプルを意味する。a(i)にはノイズn(i)[m/s2]が混入しており、真の絶対加速度ar(i)との間には、以下の式(1)に示す関係がある。
a(i)=ar(i)+n(i) …(1)
質量体1の絶対速度ν(i)[m/s]は、以下の式(2)に示すオイラー近似により、計測した絶対加速度a(i)を積分することによって得る。なお、T[s]はサンプリングインターバルである。
ν(i+l)=ν(i)+T・a(i) …(2)
過去振動記憶手段7Aは、過去分の絶対速度を保持する。未来振動予測手段7Bは、質量体1の未来の絶対加速度a’(i)[m/s2]、および絶対速度ν’(i)[m/s](i=1〜i=127)を、以下の式(3)〜式(7)によって計算する。これらの式は、絶対速度ν’(i)を自由減衰振動によって0に収束させる性質を持っている。なお、絶対速度ν’(i)の収束性を決める係数がκ[Ns/m]およびc[Ns2/m]であり、それぞれ振動周期と減衰性に寄与する。ここで、絶対速度ν’(i)を可能な限り未来に発生する絶対速度にマッチするようにするには、現在発生している振動の特性を考慮する必要がある。
a’(0)=a(0) …(3)
v’(0)=v(0) …(4)
j’(i)=−c・a(i)−κ・ν’(i) …(5)
a’(i+l)=a’(i)+T・j’(i) …(6)
ν’(i+l)=ν’(i)+T・a’(i) …(7)
そのために、本実施例では、図8に示すように、直前に計測された絶対加速度a(i)の周波数f[Hz]を検出し、その周波数fを固有振動とする係数κを、以下の式(8)により随時計算し、振動系の持つ固有振動数や、非周期的な基盤振動の中に存在する周期的な振動成分に適応したν’(i)を計算するようにしている。なお、係数cについては、減衰比ζを固定値とし、以下の式(9)により計算し、係数κに連動するようにしている。
κ=(2・π・f)2 …(8)
c=ζ・2√κ …(9)
FIR型HPF処理手段7Cは、このように計算された過去の絶対速度ν(i)および未来の推定絶対速度ν’(i)を入力として、以下の式(10)により、FIR型HPF処理を行った絶対速度ν/(0)を求めることができる。
The absolute acceleration of the
a (i) = ar (i) + n (i) (1)
The absolute velocity ν (i) [m / s] of the
ν (i + 1) = ν (i) + T · a (i) (2)
The past vibration storage means 7A holds the absolute speed for the past. The future vibration prediction means 7B calculates the future absolute acceleration a ′ (i) [m / s 2 ] and the absolute velocity ν ′ (i) [m / s] (i = 1 to i = 127) of the
a ′ (0) = a (0) (3)
v ′ (0) = v (0) (4)
j ′ (i) = − c · a (i) −κ · ν ′ (i) (5)
a ′ (i + 1) = a ′ (i) + T · j ′ (i) (6)
ν ′ (i + 1) = ν ′ (i) + T · a ′ (i) (7)
Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 8, the frequency f [Hz] of the absolute acceleration a (i) measured immediately before is detected, and the coefficient κ having the frequency f as a natural vibration is expressed as follows. It is calculated at any time according to the equation (8), and ν ′ (i) adapted to the natural frequency of the vibration system and the periodic vibration component existing in the non-periodic base vibration is calculated. The coefficient c is calculated by the following equation (9) with the damping ratio ζ being a fixed value, and is linked to the coefficient κ.
κ = (2 · π · f) 2 (8)
c = ζ · 2√κ (9)
The FIR type HPF processing means 7C receives the past absolute velocity ν (i) and the estimated future absolute velocity ν ′ (i) calculated as described above, and performs the FIR type HPF processing according to the following equation (10). The absolute velocity ν / (0) performed can be determined.
なお、式(10)において、h(i)は256ポイントの係数長を持つFIRフィルタ係数である(i=−128〜i=127)。 In equation (10), h (i) is an FIR filter coefficient having a coefficient length of 256 points (i = −128 to i = 127).
上述した計算アルゴリズムは、制御手段7によって絶対加速度a(0)が読み込まれる度に、実行される。 The calculation algorithm described above is executed every time the absolute acceleration a (0) is read by the control means 7.
次に、図9を用いて、本実施形態によるアクティブ振動制御装置において用いるFIRフィルタ係数h(i)とその周波数応答特性について説明する。
図9は、本発明の一実施形態によるアクティブ振動制御装置において用いるFIRフィルタ係数とその周波数応答特性の説明図である。
Next, the FIR filter coefficient h (i) used in the active vibration control apparatus according to the present embodiment and its frequency response characteristic will be described with reference to FIG.
FIG. 9 is an explanatory diagram of FIR filter coefficients and their frequency response characteristics used in the active vibration control apparatus according to the embodiment of the present invention.
図9は、本実施例で使用したFIRフィルタ係数h(i)とその周波数応答特性を示している。この周波数応答特性は理論値ではなく、実際にフィルタ係数h(i)を用いてホワイトノイズにFIR型HPF処理を行って、入出力の周波数応答を計算したものである。通常、FIR型HPFフィルタを過去の入力に対して行うと、出力は係数長の1/2の無駄時間(位相遅れ)を生ずる。しかしながら、本実施例では、係数長の1/2分の未来のデータを使用して無駄時間を相殺することで、位相ずれの無い理想的なフィルタ処理を行うことができる。 FIG. 9 shows the FIR filter coefficient h (i) used in this embodiment and its frequency response characteristic. This frequency response characteristic is not a theoretical value, and is obtained by actually performing FIR type HPF processing on white noise using the filter coefficient h (i) and calculating input / output frequency responses. Normally, when the FIR type HPF filter is applied to the past input, the output causes a dead time (phase delay) that is ½ of the coefficient length. However, in this embodiment, ideal filter processing without phase shift can be performed by canceling the dead time using future data corresponding to ½ of the coefficient length.
制御力演算手段7Dは、FIR型HPF処理手段7Cによって求められた絶対速度にアクティブ減衰係数を乗じて、符号を反転することによって、アクティブ制御力を求める。すなわち、上記プロセスで得た絶対速度vf(0)を用い、アクチュエータの制御力F(n)は、以下の式(l1)によって計算される。
F=−ca・νf(0) …(11)
なお、ca[Ns/m]はアクティブ減衰係数である。
The control force calculating means 7D obtains the active control force by multiplying the absolute velocity obtained by the FIR type HPF processing means 7C by the active damping coefficient and inverting the sign. That is, using the absolute velocity vf (0) obtained by the above process, the control force F (n) of the actuator is calculated by the following equation (l1).
F = −ca · νf (0) (11)
Note that ca [Ns / m] is an active attenuation coefficient.
本制御システムの動作を確認するために、質量体1の振動計算モデルを下記のように構築した。アクチュエータの制御力F(n)は、式(10)によって計算する。そして、質量体1の質量をm[kg]とし、ばね定数をκp[N/m]とし、cp[Ns/m]を減衰係数とし、質量体1の真の絶対加速度をar(i)とし、真の絶対速度をνr(i)[m/s]とし、真の絶対変位をχr(i)[m]とし、さらに、基盤2の真の絶対速度をνrb(i)[m/s]とし、真の絶対変位をχrb(i)[m]とすると、質量体1の振動は、以下の式(12)〜(14)で計算される。
In order to confirm the operation of this control system, a vibration calculation model of the
なお、ここで、基礎2の絶対変位χrb(i)は、質量体1の振動を受けない完全な強制振動(ランダム振動)とする。
Here, the absolute displacement χrb (i) of the
上記振動計算モデルを用いて、下記4タイプの振動特性比較を行った。 Using the above vibration calculation model, the following four types of vibration characteristics were compared.
1)PASS(アクティブPASS:計測加速度にHPFを使用しない)
2)IIR1(アクティブIIR1:計測加速度のDC成分を除去するためカットオフ0.1[Hz]のIIR型HPFを使用)
3)IIR2(アクティブIIR2:低周波数の相対変位を抑えることを目的にカットオフ1.0[Hz]のIIR型HPFを使用)
4)FIR(アクティブFIR:低周波数の相対変位を抑えることを目的にカットオフ1.5[Hz]のFIR型HPFを使用)
ここで、タイプ4)が本実施形態のモデルである。
1) PASS (Active PASS: HPF is not used for measurement acceleration)
2) IIR1 (Active IIR1: IIR type HPF with a cutoff of 0.1 [Hz] is used to remove the DC component of measured acceleration)
3) IIR2 (active IIR2: IIR type HPF with a cut-off of 1.0 [Hz] is used to suppress relative displacement at low frequencies)
4) FIR (Active FIR: FIR type HPF with a cutoff of 1.5 [Hz] is used to suppress relative displacement at low frequencies)
Here, type 4) is a model of this embodiment.
ここで、図10を用いて、本実施形態によるアクティブ振動制御装置における質量体1の真の絶対加速度ar(i)と計測した絶対加速度a(i)について説明する。
図10は、本発明の一実施形態によるアクティブ振動制御装置において用いる絶対加速度の説明図である。
Here, the true absolute acceleration ar (i) and the measured absolute acceleration a (i) of the
FIG. 10 is an explanatory diagram of absolute acceleration used in the active vibration control device according to the embodiment of the present invention.
図10において、実線は、質量体1の真の絶対加速度ar(i)を示しており、点線は、計測した絶対加速度a(i)を示している。絶対加速度a(i)には意図的にホワイトノイズとオフセットノイズを混入させてある。
In FIG. 10, the solid line indicates the true absolute acceleration ar (i) of the
次に、図11を用いて、アクティブ振動制御の制御性を比較するために、質量体1の真の絶対加速度ar(i)から計算した制御力Frと、計測加速度a(i)にそれぞれのフィルタ処理を行って計算した制御力Fの周波数特性F/Frを比較した結果を示す。
Next, in order to compare the controllability of the active vibration control using FIG. 11, the control force Fr calculated from the true absolute acceleration ar (i) of the
まず、図11(A)に示すように、タイプ1)のPASSでは、加速度計測におけるノイズによって質量体1の変位が発散してしまっており、異常に大きな制御力が発生している(大きな定常偏差が生じている)。このことから、スカイフックダンパ理論を用いたアクティブ制振制御では、計測加速度にHPF処理を行うことが欠かせないことが確認できる。
First, as shown in FIG. 11A, in the PASS of type 1), the displacement of the
次に、図11(B)に示すように、タイプ2)のIIR1では、ほぼ振幅比=1、位相=0であり、ほぼ理想的な制御ができている。このことから、制振制御(質量体1の絶対振動の低減)には、極低周波のカットオフ周波数を持つHPFを利用すれば良いことが分かる。 Next, as shown in FIG. 11B, in IIR1 of type 2), the amplitude ratio is approximately 1 and the phase is approximately 0, and almost ideal control is achieved. From this, it is understood that an HPF having an extremely low cut-off frequency may be used for damping control (reduction of absolute vibration of the mass body 1).
次に、図11(C)に示すタイプ3)のIIR2であるが、低周波の振幅比が小さくなっているので、低周波に対する制御力は小さくなっているものの、1[HZ]付近で位相がπ/2[rad]進んでいるため、発振気味の特性になってしまっている。 Next, IIR2 of type 3) shown in FIG. 11 (C), the amplitude ratio of the low frequency is small, so the control force for the low frequency is small, but the phase around 1 [HZ]. Is advanced by π / 2 [rad], so that it has a characteristic of oscillation.
最後に、図11(D)に示すように、タイプ4)の本実施形態のFIRでは、低周波の振幅比を小さく抑えつつ、位相進みもπ/8[rad]程度に抑えられているため、従来技術の課題であった、低周波域の基盤2と質量体1の相対変位を抑えたアクティブ振動制御を安定して行うことができている。
Finally, as shown in FIG. 11D, in the FIR of this embodiment of type 4), the phase advance is also suppressed to about π / 8 [rad] while the amplitude ratio of the low frequency is suppressed to be small. Therefore, active vibration control that suppresses the relative displacement between the low-
次に、図12を用いて、振動モデル(PASSを除く)制振性能と低周波の相対変位をパッシブモデルと比較した結果を説明する。 Next, the result of comparing the vibration model (excluding PASS) damping performance and the low frequency relative displacement with the passive model will be described with reference to FIG.
図12(A)に示すように、本実施形態のFIRでは、パッシブモデルより固有振動数における絶対加速度のピークを低減しつつ、図12(B)に示すように、低周波数における相対変位を同程度に抑えられていることが分かる。 As shown in FIG. 12 (A), in the FIR of the present embodiment, the absolute acceleration peak at the natural frequency is reduced as compared with the passive model, and the relative displacement at the low frequency is the same as shown in FIG. 12 (B). It turns out that it is suppressed to the extent.
以上説明したように、本実施形態によれば、過去の基盤あるいは質量体の運動情報と未来の基盤あるいは質量体の振動情報から、FIRデジタルフィルタ処理によって所定の周波数重み付けがなされた振動情報を演算し、その振動情報を元に所定のアクチュエータ制御力を演算するので、理想的な制御力に対する位相ずれの小さいフィルタ処理が可能になり、低周波における制御性が向上する。 As described above, according to the present embodiment, vibration information that has been subjected to predetermined frequency weighting by FIR digital filter processing is calculated from the motion information of the past base or mass body and the vibration information of the future base or mass body. Since a predetermined actuator control force is calculated based on the vibration information, filter processing with a small phase shift with respect to the ideal control force is possible, and controllability at low frequencies is improved.
また、未来の質量体の振動情報を、現在の質量体の加速度および速度を初期値として、速度が自由振動的に収束すると仮定して計算することで、未来の質量体の振動の要因となる基盤振動と質量体の残留自由振動のうち、後者の影響を考慮することでフィルタ処理の精度を向上し、制御性が向上する。 In addition, by calculating the vibration information of the future mass body assuming that the current mass body acceleration and velocity are the initial values and assuming that the velocity converges freely, it will cause the future mass body vibration. Considering the influence of the latter of the base vibration and the residual free vibration of the mass body, the accuracy of the filter processing is improved and the controllability is improved.
さらに、自由振動の固有振動数が過去の質量体の振動情報に適応して随時更新されることで、過去の質量体の振動情報から抽出される質量体の振動特性の変化や基盤振動の傾向に適応して、適切な質量体の残留自由振動を推定することができるため、フィルタ処理の精度を向上し、制御性が向上する。 In addition, the natural frequency of free vibration is updated as needed to adapt to the vibration information of the past mass body. Therefore, it is possible to estimate an appropriate residual free vibration of the mass body, so that the accuracy of the filtering process is improved and the controllability is improved.
1…質量体
2…基盤
3…ばね
4…ダンパ
5…アクチュエータ
6…加速度センサ
7…制御手段
7A…過去振動記憶手段
7B…未来振動予測手段
7C…FIR型HPF処理手段
7D…制御力演算手段
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記制御手段は、未来の質量体の振動情報を、現在の質量体の加速度および速度を初期値として、速度が自由振動的に収束すると仮定して計算するとともに、過去の質量体の運動情報と未来の質量体の振動情報から、FIRデジタルフィルタ処理によって所定の周波数重み付けがなされた振動情報を演算し、その振動情報を元に所定のアクチュエータ制御力を演算することを特徴とするアクティブ振動制御装置。 A base that vibrates aperiodically, a mass body installed on the base, control means for calculating a control force from motion information of the base or the mass body, and the base and the base according to a command from the control means In an active vibration control device having an actuator that generates a control force between mass bodies,
The control means, the vibration information of future mass, the acceleration and velocity of the current of the mass as an initial value, with speed calculated assuming converging free vibration manner, motion information of the past mass body active vibration from the vibration information of future mass body, characterized in that calculates the vibration information given frequency has been weighted by the FIR digital filter processing, it calculates a predetermined actuator control force based on the vibration information Control device.
前記制御手段は、前記の自由振動の固有振動数が過去の質量体の振動情報に適応して随時更新されることを特徴とするアクティブ振動制御装置。 The active vibration control device according to claim 1,
The active vibration control apparatus according to claim 1, wherein the control means updates the natural frequency of the free vibration as needed in accordance with past vibration information of the mass body.
前記制御手段は、直前に計測された絶対加速度周波数を、前記の自由振動の固有振動数とすることを特徴とするアクティブ振動制御装置。 The active vibration control device according to claim 2,
The active vibration control apparatus characterized in that the control means uses the absolute acceleration frequency measured immediately before as the natural frequency of the free vibration.
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