JP5317587B2

JP5317587B2 - 制御アクチュエーター及び振動制御方法

Info

Publication number: JP5317587B2
Application number: JP2008220737A
Authority: JP
Inventors: 裕栗田
Original assignee: 公立大学法人滋賀県立大学
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: JP2010054397A

Description

本発明は、複数の振動対象の各々において分散制御しながら加振する制御アクチュエーター及び振動制御方法に関する。

従来から、アクチェエーターにより振動対象を加振して振動の影響を検証する振動試験が行われている。または、振動機構を利用した機器が使用されている。この加振において、固有振動数で加振すると共振によって小さな加振力で大きな振動が得られるため、固有振動数で加振することが好ましい。さらに、その加振の方法として、周期的な外力を加える強制駆動法及び運動と同じ方向に働く制御力を加える自励駆動法がある。強制駆動法の場合、加振周波数が一定であるため、固有振動数又は減衰係数が変化すると振幅が大きく変化し、最適条件での振動試験を行うのが困難であった。このため、自励駆動法の方が好ましい。この自励駆動法に関して、種々の発明が行われている。（例えば、特許文献1〜特許文献４参照）。

ここで、多自由度振動系における多点加振を行う場合には、複数の振動モードで加振できるようにする必要がある。例えば、４自由度振動系の場合には、図１０に示す４つのモードで加振できるようにする必要がある。１次モードは、４つの振動系において同位相で振動させる場合である。２次モードは、右の２つの振動系において同位相で振動させ、左の２つの振動系において逆位相で振動させる場合である。３次モードは、中間の２つの振動系において同位相で振動させ、左右両端の２つの振動系において逆位相で振動させる場合である。４次モードは、左から２番目及び４番目の２つの振動系において同位相で振動させ、左から１番目及び３番目の２つの振動系において逆位相で振動させる場合である。このため、各加振点に配置した各アクチュエーターに振幅又は位相を各モード毎に変える必要があり、多自由度振動系における多点加振を行うのは困難であった。
特許第３５３１２７８号公報特許第３７５２７０１号公報特許第３８９０６７２号公報特許第３８９０６７３号公報

そこで、本発明の目的は、多自由度振動系における多点加振を容易に行えるようにして、最適な振動試験を行うことができ、又は多点加振を利用した機器を容易に構成できる制御アクチュエーター及び振動制御方法を提供することにある。

本発明の制御アクチュエーターは、複数の振動対象の各々に対して分散制御しながら加振し、所定の固有振動数で自励発振させる制御アクチュエーターであり、振動波の位相が９０°遅れる正帰還制御要素及び振動波の位相が９０°遅れる負帰還制御要素を並列結合した発振要素を含むことを特徴とする。

また、本発明の制御アクチュエーターは、前記制御アクチュエーターにおいて、前記発振要素の伝達関数が、増幅率Ｋ、時定数Ｔ、及び演算子ｓを用いて、Ｋ［１／Ｔｓ−Ｔｓ］として表わされることを特徴とする。

また、本発明の制御アクチュエーターは、前記制御アクチュエーターにおいて、所定の周期信号を与えて自励発振させる加振指令手段を含むことを特徴とする。

また、本発明の制御アクチュエーターは、前記制御アクチュエーターにおいて、制御出力の最大値を一定値以下に規制する飽和要素を含むことを特徴とする。

また、本発明の制御アクチュエーターは、前記制御アクチュエーターにおいて、減衰を付加する制振要素を含むことを特徴とする。

本発明の振動制御方法は、複数の振動対象の各々において前記制御アクチュエーターを用いることにより、分散制御しながら加振することを特徴とする。

本発明の制御アクチュエーター及び振動制御方法によれば、位相が９０°遅れる正帰還制御要素及び位相が９０°遅れる負帰還制御要素を並列結合した発振要素を含む制御アクチュエーターを使用しており、複数の振動対象の各々において分散制御しながら加振し、所定の固有振動数で自励発振させることが容易となる。

次に、本発明の制御アクチュエーター及び本発明の振動制御方法について図面に基づいて詳しく説明する。図１及び図２において、「Ａ」は制御アクチュエーターであり、符号１０で示している。

本発明の制御アクチュエーター１０は、複数の振動対象の各々に対して分散制御しながら加振し、所定の固有振動数で自励発振させる制御アクチュエーターである。制御アクチュエーター１０は、図１に示すように、振動波の位相が９０°遅れる正帰還制御要素１２及び振動波の位相が９０°遅れる負帰還制御要素１４を並列結合した発振要素１６を含んで構成されている。また、制御アクチュエーター１０は、所定の周期信号を与えて自励発振させる加振指令手段１８と、制御出力の最大値を一定値以下に規制する飽和要素２０と、見かけの減衰を付加する制振要素２２とを含んでいる。

正帰還制御要素１２は、図１に示すように、伝達関数が−Ｔｓで表わされ、図３に示すように、高周波になるに従ってゲインが高くなり、０．１〜１０ω_ｃ（＝１／Ｔ）間で１００倍となる。一方で、負帰還制御要素１４は、図１に示すように、伝達関数が１／Ｔｓで表わされ、図３に示すように、低周波になるに従ってゲインが高くなり、０．１〜１０ω_ｃ（＝１／Ｔ）間で１／１００倍となる。また、発振要素１６全体の伝達関数は、増幅器２４の増幅率Ｋ、時定数Ｔ、及びラプラスの演算子ｓを用いて表わすと、Ｋ［１／Ｔｓ−Ｔｓ］となる。そして、発振要素１６全体のゲインは、図３に示すように、０．１〜１０ω_ｃ（＝１／Ｔ）間で５．５倍にとどまりグラフ上略フラットとなる。すなわち、周波数の変化によるゲインの変化を極力少なくすることができる。このようにしてゲインをできる限りフラットになるようにして、如何なるモードでも自励発振できる可能性を高めることができる。

また、正帰還制御要素１２は、微分制御により９０°進むが、信号の反転により１８０°遅れるため、位相が９０°遅れることとなる。負帰還制御要素１４は、積分制御により位相が９０°遅れる。そして、発振要素１６全体について、位相が９０°遅れる。すなわち、図４に示すように、正帰還制御要素１２、負帰還制御要素１４及び発振要素１６について位相が９０°遅れることとなる。

加振指令手段１８は、各制御アクチュエーター１０毎に、飽和要素２０と振動系（振動手段）２６との間において、振動対象ｍに加振力ｆ＝Ｆ_０ｓｉｎωｔを加振することができ、１次モード〜４次モードの４つのモードを切り替えることができる。飽和要素２０は、次第に増大していくこととなる制御出力を一定値よりも増大しないように規制することができる。制振要素２２は、見かけの減衰を付加することにより、減衰の変動の影響を緩和することができる。

よって、本発明の振動制御方法は、このような構成の制御アクチュエーター１０を図１に示すように用いて行う分散制御方法である。なお、本発明に係る制御を行うための電気信号は、電流値、電圧値、デジタル信号等、特に限定されない。また、本発明に係る制御を具現化するための手段は、アナログ回路、デジタル回路、又はプログラム等、特に限定されない。さらに、本発明を構成する各要素及び手段も、素子、アナログ回路、デジタル回路、又はプログラム等、特に限定されない。

このような本発明の制御アクチュエーター１０及び振動制御方法によれば、加振指令手段１８によって所望のモードの固有振動数近くの周期信号を与えれば、自励発振させることができる、如何なる振動モードでも自励発振させることが可能となる。例えば、制御アクチュエーター１０を用いた４自由度振動系の両端自由時においては、図５（ａ）に示すような４つの振動モードで自励発振させることが可能となる。

また、本発明の制御アクチュエーター１０及び振動制御方法によれば、固有振動数で自励振動させる構成であり、質量、バネ定数、又は境界条件の変動によって固有振動数が変化しても追尾し、共振させることができる。このため、境界条件等が変化する度に調整することなく、容易に共振させることができる。例えば、制御アクチュエーター１０を用いた４自由度振動系の片側固定時においては、図５（ｂ）に示すような４つの振動モードの自励発振において共振点追尾させることが可能となる。

次に、本発明の制御アクチュエーター１０を使用して現実に製造した図６に示すテスト機１００について説明する。テスト機１００において、制御アクチュエーター１０はＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサー）１０２によって構成した。振動手段としては、最大ストローク±１３ｍｍで推力定数２．０８Ｎ／Ａのリニアモータ１０４を使用した。相対変位ｈはギャップセンサー１０６で検出した。５個の振動対象１０８の質量ｍは、１．２７７ｋｇであり、４個のバネ１１０のバネ定数ｋは２００Ｎ／ｍであった。また、１自由度毎に減衰係数ｃを測定したところ、０．５３Ｎ／（ｍ／ｓ）であった。

このテスト機１００によって、各モードに合った周期信号を加振指令手段１１０によって与えた場合の、各振動対象１０８の１次モード〜４次モードにおける振動状態を、時間軸及び振動数軸のグラフで表したところ、各モードに対応して自励発振を励起させることができることがわかった。

また、１次モードの自励振動を起こし、時間ｔ＝２０ｓ、４０ｓ、６０ｓにおいて、１個の振動対象１０８にモード周波数付近の正弦波ｆ＝Ｆｓｉｎωｔ（Ｆ＝１．０）を与えたときの５個の振動対象１０８の絶対変位を測定したところ、全てのモード切替において１５〜３０周期を経てモードの切替ができることがわかった。これにより、４個の制御アクチュエーター１０の中で１個についてのみ固有振動数の小さなきっかけを与えるだけで、４個の振動系の振動モードを切り替えることができることがわかった。よって、自励振動を利用した構成によって、多自由度制御系の場合に効果が大きい。

また、自励振動させた状態で時間ｔ＝１０ｓにおいて１個の振動対象１０８に０．６５ｋｇの重りを付加したところ、おもりを付加した時の固有振動数で共振点追尾することがわかった。また、左端の振動対象１０８を固定して境界条件が変化した状態とし、自励振動させたところ、固有振動数付近の加振指令に対して同期状態が得られれば固有振動数を追尾することがわかった。

次に、テスト機１００において自由度を４から３に変更して試験したところ、各モードについて自励発振できることがわかった。すなわち、自由度を変えても自励振動させることができるという拡縮性を有することがわかった。

さらに、自励振動させてから２０ｓにおいて、左から２番目の制御アクチュエーター１０が機能しないようにしたところ、１次モードから４次モードにおいて相対変位の振動波形はほとんど変化せずに振動が維持された。すなわち、テスト機１００において、耐故障性を有することがわかった。このような効果は、分散制御であることによって得られる。

次に、本発明の制御アクチュエーター１０及び振動制御方法の用途は、特に限定されない。図２に示すような制御アクチュエーター１０を用いた４自由度振動系の両端自由時の場合には、質量ｍ_１〜ｍ_４の配列方向に振動させる構成とすればミミズ型ロボットとして利用でき、質量ｍ_１〜ｍ_４の配列方向と略直角方向に振動させる構成とすればへび型ロボットとして利用できる。

また、図７（ａ）に示すように、各制御アクチュエーター１０の片側を地上に固定しておくことにより、航空機、船舶又は自動車の振動試験に利用できる。また、図７（ｂ）に示すように、各制御アクチュエーター１０の片側をビルの各フロアーに固定しておくことにより、ビルの振動試験を行うことができる。

また、図８（ａ）に示すような制御アクチュエーター１０を含む基本ユニットを構成しておき、用途に対応して、図８（ｂ）に示すように直列結合し、又は図８（ｃ）に示すように並列結合するように構成してもよい。例えば、種々の分散制御型ロボットを構成することができる。

また、図９（ａ）に示すように、４つの制御アクチュエーター１０の一方側を地上に固定し、他方側を振動対象に固定することにより、上下又は斜めに振動できるように構成してもよい。また、図９（ｂ）に示すように、４足歩行ロボットに利用することにより、歩行足の固有振動を利用した効率的な歩行の実現が可能となる。

その他、本発明は、主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

本発明の制御アクチュエーター及び振動制御方法は、複数の振動対象の各々において分散制御しながら加振し、所定の固有振動数で自励発振させることが容易となるため、最適な振動試験を行うため、又は多点加振を利用した機器を容易に構成するために、広く利用できる

本発明の制御アクチュエーターの構成を示すブロック線図である。図１の制御アクチュエーターを用いて行う本発明の振動制御方法を説明するための構成図である。図１の制御アクチュエーターの発振要素のゲイン特性を示すグラフである。図１の制御アクチュエーターの発振要素の位相特性を示すグラフである。図１の制御アクチュエーターによる振動の波形を示すグラフであり、同図（ａ）は両端固定時のグラフであり、同図（ｂ）は片側固定時のグラフである。図１の制御アクチュエーターのテスト機を示す構成図である。同図（ａ）は、本発明の他の実施形態を示す構成図であり、同図（ｂ）は、本発明の更に他の実施形態を示す構成図である。本発明の更に他の実施形態を示す構成図である。本発明の更に他の実施形態を示す構成図である。背景技術を説明するための概略図である。

符号の説明

１０：制御アクチュエーター
１２：正帰還制御要素
１４：負帰還制御要素
１６：発振要素
１８：加振指令手段
２０：飽和要素
２２：制振要素
２４：増幅器
２６：振動系（振動手段）

Claims

複数の振動対象の各々に対して分散制御しながら加振し、所定の固有振動数で自励発振させる制御アクチュエーターであり、
振動波の位相が９０°遅れる正帰還制御要素及び振動波の位相が９０°遅れる負帰還制御要素を並列結合した発振要素を含む制御アクチュエーター。
前記発振要素の伝達関数が、増幅率Ｋ、時定数Ｔ、及び演算子ｓを用いて、
Ｋ［１／Ｔｓ−Ｔｓ］として表わされる請求項１に記載する制御アクチュエーター。
所定の周期信号を与えて自励発振させる加振指令手段を含む請求項１又は請求項２に記載する制御アクチュエーター。
制御出力の最大値を一定値以下に規制する飽和要素を含む請求項１〜請求項３のいずれかに記載する制御アクチュエーター。
減衰を付加する制振要素を含む請求項１〜請求項４のいずれかに記載する制御アクチュエーター。
複数の振動対象の各々において請求項１〜請求項５のいずれかに記載する制御アクチュエーターを用いることにより、分散制御しながら加振する振動制御方法。