JP5475719B2 - 振動体制御装置および振動体制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体の流れ場内に位置することによって発生する振動体の振動を制御する振動体制御装置および制御方法に関する。

従来より、流体の流れ場内に２つの円柱体を流れ方向に沿って離間して配置し、下流側に位置する円柱体を、弾性部材を介して固定部に支持したとき、この円柱体が自励振動する現象（ウェイクギャロッピング）が知られている。ウェイクギャロッピングは、上流側に位置する円柱体によって形成されるせん断流れと下流側に位置する円柱体とが相互作用して発生するとされている。

このような自励振動、すなわち流体励起振動に対する制振対策として、下流側に位置する円柱体である振動体にダンパを設ける構造力学的な対策の他、上流側に位置する円柱体のせん断流れを強制的に変化させるために、上流側に位置する円柱体に付帯物を設ける対策が採られている。また、外部から振動体に制御力を与えて制振する能動的制御も試みられている。しかし、これらの制振対策は効果的に得られない場合が多い。

一方、流体の流れ場内に位置することによって振動する柔軟膜を利用した発電機が知られている。具体的には、この発電機は、少なくとも２つの固定端を有し、流体の流れにさらされたときに振動を生じる柔軟膜と、導電体と、導電体に磁場を印加するように構成された磁場発生器とを備える。導電体および磁場発生器の一方が柔軟膜に取り付けられて柔軟膜とともに運動するように発電機は構成されている。流体の流れによって引き起こされる柔軟膜の振動が、導電体と印加磁場との間に相対的な運動を引き起こし、その結果、相対的な運動が、導電体に印加される磁場の強さに変化をもたらすとともに、この導電体に印加される磁場の強さの変化が、導電体を流れる電流を引き起こす。
すなわち、上記発電機は、流れ場内で発生する柔軟膜の流体励起振動の振動エネルギーを有効利用して発電を行う。

特開２０１０−５１２１３２号公報

しかし、上記発電機において、柔軟膜の流体励起振動の振幅を一定に維持することは難しく、場合によっては、流体励起振動の振幅が急激に増大して柔軟膜等の振動体が破壊する場合がある。また、流速が低い場合、流体励起振動の振幅が小さく発電に適さない場合もあり、実用的な発電機として用いることは難しい。また、従来の流体励起振動を制御する制御技術では、振動の振幅をできるだけ抑制し、あるいは、できるだけ増幅させる制御が主に行われるが、振幅を一定のレベルに維持する制御は少ない。

そこで、本発明は、例えば、流体の流れによって生じる振動体の振動を利用した発電機や振動体を制振する振動体制御装置のように、流れ場内に設けられて振動する振動体の振動を容易に抑制し、増幅し、あるいは一定に維持することができる振動体制御装置および振動体制御方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、流体の流れ場内に位置することによって発生する振動体の振動を制御する振動体制御装置である。当該装置は、
流体の流れ場内に位置することによって振動する振動体の振動を計測する計測ユニットと、
前記振動体の周りに前記振動体に離間して配置され、振動することによって前記振動体の振動を制御する振動制御体と、
前記計測ユニットの計測により得られた前記振動体の振動信号に応じて、前記振動体の振動を制御するための制御信号を生成する制御ユニットと、を有する。
前記制御信号は、前記振動信号に対して位相遅れ調整およびゲイン調整の少なくとも一方を行った信号である。前記振動制御体は、前記制御信号を前記振動制御体の加振信号に用いて加振される。

その際、前記振動制御体は、前記振動制御体を加振する加振機と剛結合されてもよい。あるいは、前記振動制御体には、前記振動制御体を加振する加振機が弾性部材を介して接続されてもよい。

また、前記位相遅れ調整のために用いる前記振動信号に対する時間遅れおよび前記ゲイン調整のために用いる前記振動信号に対する制御ゲインは、前記流体の流速に応じて変化する、ことが好ましい。

さらに、前記振動制御体は、前記流れ場において、前記振動体の上流側および下流側のいずれか一方の側に配置されるとよいが、前記振動体の上流側に配置される、ことが好ましい。

前記振動体制御装置は、前記流れ場の流れ方向に沿って、複数の振動子が互いに離間して一列に配列された構造体を制御対象とする。このとき、前記複数の振動子の少なくとも１つが前記振動体として振動制御される、ことが好ましい。

本発明の他の一態様は、流体の流れ場に位置することによって生じる振動体の振動を制御する振動体制御方法である。当該方法は、
流体の流れ場に位置することによって振動する振動体の振動を計測するステップと、
計測した前記振動体の振動信号に応じて、前記振動体の振動を制御するための制御信号を生成するステップと、
前記振動体の周りに前記振動体に離間して配置された振動制御体を振動させることによって前記振動体の振動を制御するステップと、を有する。
前記制御信号は、前記振動信号に対して位相遅れ調整およびゲイン調整の少なくとも一方を行った信号である。前記振動制御体は、前記制御信号を前記振動制御体の加振信号に用いて加振される。

その際、前記位相遅れ調整のために用いる前記振動信号に対する時間遅れおよび前記ゲイン調整のために用いる前記振動信号に対する制御ゲインは、前記流体の流速に応じて変化する、ことが好ましい。

また、前記振動制御体は、前記流れ場において、前記振動体の上流側および下流側のいずれか一方の側に配置されるとよいが、前記振動体の上流側に配置される、ことが好ましい。

前記方法では、前記流れ場の流れ方向に沿って、複数の振動子が互いに離間して一列に配列された構造体を制御対象とされる。このとき、前記複数の振動子の少なくとも１つが前記振動体として振動制御される、ことが好ましい。

上述の振動体制御装置および振動体制御方法では、流れ場内に設けられて振動する振動体の振動を容易に抑制し、増幅し、あるいは一定に維持することができる。

本実施形態の振動体制御装置の概略構成図である。 (ａ)は、図１に示す発電機および振動体制御装置を模式的に説明した図であり、（ｂ）は、振動体の振動と振動制御体の振動の一例を表す図である。 本実施形態における時間遅れおよび制御ゲインに対する振動体の振幅の変化の例を示す図である。 (ａ)〜（ｃ）は、本実施形態における流れ場の流速、時間遅れ、および制御ゲインに対する振動体の振幅の変化の例を示す図である。 (ａ)〜（ｃ）は、本実施形態における流れ場の流速、時間遅れ、および制御ゲインに対する振動体の周波数の変化の例を示す図である。 (ａ)は、本実施形態の振動体制御装置の変形例を模式的に説明した図であり、（ｂ）は、振動体の振動、振動制御体の振動と加振器の加振の振動の例を表した図である。 本実施形態の振動体制御装置の他の変形例を模式的に説明した図である。

以下、本発明の振動体制御装置および振動体制御方法について詳細に説明する。
本実施形態の振動体制御装置は、潮流や河川流等の流体の自然エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機、具体的には、流体の流れ場内に位置することによって発生する振動体の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機に用いられる。この発電機において、上記流体は気体であってもよいし、液体であってもよい。気体の場合、上記発電機は、風によって振動する振動体の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する構成を有し、風によってプロペラ翼等の回転体を回転させることによりロータを回転させる風力発電機の構成と異なる。一方、液体の場合、上記発電機は、海底の潮流、あるいは河川（農業用水路や工業用水路を含む）における水流によって、海底に、あるいは河川内に配置した振動体の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する構成を有し、水流によってロータを回転させる水力発電機の構成と異なる。振動体制御装置は、発電機の他に、橋梁、ケーブル、塔、あるいは流体が流れる管路内の部材等の構造物の疲労破壊等の原因となる流体励起振動を効率よく抑制する振動抑制装置等にも用いることができる。

本実施形態の振動体制御装置は、流体の流れ場に位置することによって自励振動する発電機の振動体の振動を計測し、計測した振動体の振動信号に応じて、振動体の振動を制御するための制御信号を生成する。さらに、振動体制御装置は、振動体の周りに振動体に離間して配置された振動制御体を振動させることによって振動体の振動を制御する。このとき、上記制御信号は、計測により得られた振動信号に対して位相遅れ調整およびゲイン調整の少なくとも一方を行った信号であり、振動制御体は、上記制御信号を振動制御体の加振信号に用いて加振される。ここで、振動体の振動の制御とは、振動の振幅を一定にすること、増幅すること、あるいは減少すること、さらには、振動を０にすること、さらには、振動の周波数を一定に維持すること、あるいは、周波数を目標とする値にシフトすることを含む。
このように、発電機の振動体の振動を、後述するように、振動制御体を用いて自在に制御することができるので、例えば、流体の流速が変化しても、制御信号を調整することにより、振動体の振動を制御することができる。流速が極端に低くなった場合でも、振動体の振動の振幅を一定に確保することができる。以下、振動体制御装置および振動体制御方法を説明する。

（振動体制御装置）
図１は、本実施形態の振動体制御装置１０の概略構成図である。
振動体制御装置１０は、流れ場Ｆを有する流体内に、振動体１２と発電ユニット１４とを有する発電機に付随して設けられている。振動体１２は、流体の流れ場Ｆ内に位置することによって振動する。この振動は、後述する流れ場Ｆ内に振動制御体２６を配置することによって発生するウェイクギャロッピングである。振動体１２および振動制御体２６は、円柱体であるが、必ずしも円柱体でなくてもよく、三角柱、矩形柱、多角柱等の柱状体等であってもよい。しかし、ウェイクギャロッピングを効果的に発生する点で、振動体および振動制御体は円柱体であることが好ましい。
振動体１２は、弾性部材１６（図１中ではバネとして示している）を介して固定部１８に支持されている。したがって、振動体１２は、振動体１２の質量および弾性部材１６の弾性係数によって定まる固有振動数を有する。振動体１２は、図１に示すように、振動体１２の両端が弾性部材１６を介して支持されているので、流れ場Ｆにおいて流れ方向に直交する方向、図１中では上下方向に振動する。勿論、振動体１２の振動方向は図１に示す上下方向に限定されず、図１中の左右方向であってもよい。さらに、振動体１２は、流れ場Ｆの流れ方向に平行な方向に振動してもよいし、一方の端部を回転中心として回転振動してもよい。回転振動の場合、回転中心軸の方向は、流れ場Ｆの流れ方向に平行であることが好ましい。このように、振動体１２の振動形態は限定されない。

この発電機では、例えば、一方向に振動する振動体１２の端部にロッド１３が設けられ、このロッド１３が発電ユニット１４内に延びている。ロッド１３の先端には磁場発生器１４ａが取り付けられて振動体１２とともに運動する。発電ユニット１４には、ロッド１３の磁場発生器１４ａに対向する位置に、導電体１４ｂが設けられている。ロッド１３の運動が、導電体１４ｂと磁場発生器１４ａの印加磁場との間に相対的な運動を引き起こし、その結果、導電体１４ｂに印加される磁場の強さに変化を与え、この導電体１４ｂに印加される磁場の強さの変化が、導電体１４ｂを流れる電流を引き起こす。これにより、発電が行われる。

振動体制御装置１０は、計測ユニット２０と、制御ユニット２２と、加振器２４と、振動制御体２６と、を主に有する。
計測ユニット２０は、流体の流れ場Ｆ内に位置することによって振動する振動体１２の振動を計測する。計測ユニット２０は、例えば計測対象物にレーザを照射して計測対象物の変位を計測するレーザ変位計が用いられる。
制御ユニット２２は、例えば、デジタルシグナルプロセッサ等で構成され、計測ユニット２０の計測で得られた振動信号に対して、時間遅れτと制御ゲインＧの少なくとも一方を用いた調整を行って、制御信号を生成する。この場合、例えば、流れ場Ｆ内における流速を図示されない計測器で計測し、この計測結果に基づいて、計測ユニット２０は、振動体１２の振動が、一定の周波数および振幅で振動するように時間遅れτと制御ゲインＧを設定する。流速に応じて時間遅れτと制御ゲインＧを設定することにより、流れ場Ｆ内の流速が変化しても、一定の周波数および振幅、一定の周波数、あるいは一定の振幅で振動体１２を振動させることができるので効率のよい発電を達成することができる。
制御ユニット２２は、例えば、流れ場Ｆの流速、時間遅れτ、制御ゲインＧの各パラメータ値と、このパラメータ値における振動体１２の振動Ｖ₁の周波数と振幅の値とを対応付けた参照テーブルを記憶保持する。したがって、制御ユニット２２は、例えば、一定に維持しようとする振動体１２の周波数と振幅の値を、参照テーブルを参照することによって、現在の流れ場Ｆの流速において設定すべき時間遅れτおよび制御ゲインＧの各パラメータ値を求めることができる。

また、制御ユニット２２は、オペレータから入力指示を受ける。これにより、制御ユニット２２は、一定の周波数および振幅で振動していた振動体１２を、入力指示された目標の周波数あるいは振幅に調整するために、時間遅れτと制御ゲインＧを設定する。例えば、振動体１２の振動を止めて発電を中断する場合や、流れ場Ｆの流速が急激に変化した場合、オペレータの入力指示に応じて、制御ユニット２２は、上記参照テーブルを参照することにより、時間遅れτと制御ゲインＧをリアルタイムで設定する。
加振器２４は、制御ユニット２２で生成された制御信号の供給を受けて、この制御信号を加振信号として用いて振動制御体２６をリアルタイムで加振する。加振器２４は、例えばリニアーモータが用いられる。

振動制御体２６は、振動体１２の周りに振動体１２に離間して配置され、図１に示すように、図中の上下方向に振動するように両端が支持されることによって振動体１２の振動を制御する円柱体である。振動制御体２６は、加振器２４と剛結合されている。したがって、振動制御体２６は、制御ユニット２２で生成された制御信号に従って変位する。なお、振動制御体２６の直径は、円柱体である振動体１２の直径と同じであり、円柱体の長さも同じであるが、直径及び長さは異なっていてもよい。
振動制御体２６は、流れ場Ｆにおける振動体１２の上流側に位置するが、下流側に位置してもよい。また、振動制御体２６および振動体１２は、流れ場Ｆの流れ方向に沿って配列してもよいし、振動制御体２６および振動体１２の、流れ方向に対して直交する方向の位置が互いにずれていてもよい。また、振動体１２と振動制御体２６との間の軸間距離は、流体の種類や流速の条件等によって変化するが、直径ｄ（振動体１２および振動制御体２６の円柱形状の直径をｄとする）の１〜５倍が例示される。上記軸間距離は、振動制御体２６によって振動体１２のせん断流れを効率よく撹乱して、振動体１２の振動を効率よく制御できる範囲で設定される。
本実施形態の振動体制御装置１０は、振動制御体２６および振動体１２の直径ｄの寸法を代表寸法として用いて、例えばレイノルズ数１０²〜１０⁸の範囲において適用することができる。
振動制御体２６の振動形態は、振動体１２の振動を制御する範囲において、振動体１２と同様に、制限されない。例えば、振動制御体２６の振動方向は図１に示すように上下方向の他に図１中の左右方向であってもよい。また、振動制御体２６は、流れ場Ｆの流れ方向に平行な方向に振動してもよいし、一方の端部を回転中心として回転振動してもよい。回転振動の場合、回転中心軸の方向は、流れ場Ｆの流れ方向に平行であることが好ましい。

図２（ａ）は、図１に示す発電機および振動体制御装置１０を模式的に説明した図である。
図２（ａ）に示すように、振動体１２の振動Ｖ₁の計測した計測結果である計測信号Ｓ₁に対して、制御ユニット２２は、制御信号Ｓ₂（ｔ）＝Ｇ・Ｓ₁（ｔ−τ）（Ｇ：制御ゲイン、τ：時間遅れ）を生成し、この制御信号Ｓ₂を加振器２４にリアルタイムで供給する。したがって、加振器２４に剛結合した振動制御体２６は、制御信号Ｓ₂に従って振動Ｖ₂で変位する。振動制御体２６の振動Ｖ₂により、流体による振動制御体２６のせん断流れ３０が強制的に変化され、さらに、下流の振動体１２のせん断流れ３２が変化することにより、振動体１２の振動Ｖ₁を制御することができる。
図２（ｂ）は、振動体１２の振動Ｖ₁と、制御信号Ｓ₂に従って変位する振動制御体２６の振動Ｖ₂の一例を表している。

図３、図４（ａ）〜（ｃ）及び図５（ａ）〜（ｃ）は、流れ場Ｆの流速Ｕ、時間遅れτ、及び制御ゲインＧに対する振動体１２の振幅および周波数の変化の例を示す図である。
図３に示す例は、直径ｄ＝２ｃｍの円柱体を成した振動体１２および振動制御体２６を用い、振動体１２と振動制御体２６との間の軸間距離を２ｄ（＝４ｃｍ）とし、流体を空気として、流速Ｕ＝３．５ｍ／秒とした条件の下、制御ゲインＧと時間遅れτとを種々変更したときの振動体１２の振動Ｖ₁（制御開始から十分に時間が経過した後の定常振動）の振幅の変化を示している。なお、振動体１２は、振動制御体２６が振動していないときの周波数（固有振動数）は１．９２Ｈｚである。図３では、この周波数をｆ_０とし、この振動の周期をＴ_０としたとき、時間遅れτを周期Ｔ_０で割って規格化した無次元の時間遅れτ_０が用いられている。なお、図３における振幅Ａは、振動Ｖ₁の振幅を直径ｄで割って規格した値である。振動制御体２６が振動していないときの振動体１２の振動Ｖ₁の振幅Ａは０．０８である。図３より、時間遅れτ_０を変化させることにより、また、制御ゲインＧを変化させることにより、振幅Ａが種々変化することがわかる。すなわち、時間遅れτ_０及び制御ゲインＧは、振動Ｖ₁の振幅Ａを増大させ、また低下させることがわかる。

図４（ａ）〜（ｃ）は、制御ゲインＧを０．４に固定し、流速Ｕを１．５ｍ／秒〜１３．０ｍ／秒の範囲で変化させたときの振幅Ａの変化を示している。図４（ａ）〜（ｃ）より、流速Ｕ及び時間遅れτ_０を変化させることにより、振幅Ａが種々変化することがわかる。
また、図５（ａ）〜（ｃ）は、制御ゲインＧを０．４に固定し、流速Ｕを１．５ｍ／秒〜１３．０ｍ／秒の範囲で変化させたときの振動Ｖ₁の周波数ｆ_dの変化を示している。周波数ｆ_dは、振動Ｖ₁の周波数を、振動制御体２６が振動していないときの周波数ｆ_０＝１．９２Ｈｚで割って規格した値である。図５（ａ）〜（ｃ）より、流速Ｕ及び時間遅れτ_０を変化させることにより、振動Ｖ₁の周波数ｆ_dが種々変化することがわかる。
したがって、制御ユニット２２は、流速Ｕ、時間遅れτ、制御ゲインＧの値を種々変化させたときの、振動Ｖ₁の周波数と振幅の情報を予め実測して得、流速Ｕ、時間遅れτ、制御ゲインＧの値と、振動Ｖ₁の周波数と振幅の情報とを対応させた参照テーブルを作成し、予め記憶保持する。振動Ｖ₁の制御の際、この参照テーブルを用いることにより、制御ユニット２２は、制御ゲインＧと時間遅れτを設定し、制御信号Ｓ₂を生成することができる。

（振動体制御方法）
このような振動体制御装置１０では、計測ユニット２０が、流体の流れ場Ｆ内に位置することによって発生する振動体１２の振動を計測する。
計測した振動体１２の振動信号Ｓ₁に応じて、振動体１２の振動Ｖ₁を制御するための制御信号Ｓ₂を生成する。
次に、この制御信号Ｓ₂を加振信号として用いて、加振器２４は振動制御体２６を加振し、振動制御体２６の振動Ｖ₂を生じさせる。この振動Ｖ₂によって、振動制御体２６のせん断流れ３０が強制的に変化し、さらに、下流の振動体１２のせん断流れ３２が撹乱される。このため、振動体１２の振動Ｖ₁の振幅及び振動数は制御され得る。

このとき、制御信号Ｓ₂は、振動信号Ｓ₁に対して位相遅れ調整およびゲイン調整の少なくとも一方を行った信号である。具体的には、制御信号Ｓ₂は、Ｇ・Ｓ₁（ｔ−τ）で表される。例えば、流速Ｕが変化しても振幅及び周波数を一定に制御する場合、制御ユニット２２は、参照テーブルを参照して位相遅れ調整に用いる時間遅れτおよびゲイン調整に用いる制御ゲインＧの値を見出して制御信号Ｓ₂を生成する。同様に、振動体１２の振動Ｖ₁を０とする場合、あるいは、振動体１２の振動Ｖ₁を０から一定の振幅に立ち上げる場合、現在の流速Ｕの情報を用いて、参照テーブルを参照して位相遅れ調整に用いる時間遅れτおよびゲイン調整に用いる制御ゲインＧの値を見出して制御信号Ｓ₂を生成する。このように流速Ｕを用いて時間遅れτおよび制御ゲインＧの値を見出すのは、位相遅れ調整およびゲイン調整の調整量（時間遅れτ及び制御ゲインＧ）は、流体の流速Ｕに応じて変化するからである。すなわち、振動体制御装置１０では、設定される時間遅れτおよび制御ゲインＧは流速Ｕに応じて変化する。
なお、振動制御体２６は、流れ場Ｆにおいて、振動体１２の上流側に配置されることが、せん断流れの影響を振動体１２に効率よく与える点で好ましい。

このように、振動体制御装置１０は、振動体１２の周りに振動体１２に離間して配置された振動制御体２６を、制御信号Ｓ₂を用いて振動させることによって振動体１２周辺のせん断流れに制御効果の高い撹乱を与え、これによって振動体１２の振動Ｖ₁を制御するので、流速Ｕが変化しても、振動体１２の振動Ｖ₁の振幅や周波数を一定に維持することができる。また、振動体制御装置１０は、オペレータの入力指示によって、振動体１２の振動Ｖ₁の振幅や周波数を目標とする振幅や周波数に容易にシフトさせることができる。また、振動体制御装置１０は、流体励起振動が生じない流速の低い条件でも振動を誘起させることができる。

（変形例１）
図６（ａ）は、本実施形態の振動体制御装置１０の変形例を模式的に説明した図である。本変形例では、上記実施形態と同様に、計測ユニット２０と、制御ユニット２２と、加振器２４と、振動制御体２６と、を有する。本変形例は、上記実施形態に対して、振動制御体２６が加振器２４と弾性部材３４を介して結合されている点で異なる。これ以外の部分は、本実施形態の構成と同じであるので、構成及び機能の説明は省略する。
上記実施形態では、振動制御体２６は加振器２４に対して剛結合されて、加振器２４の振動の変位が振動制御体２６の振動Ｖ₁の変位となっている。これに対して、本変形例では、振動制御体２６が加振器２４と弾性部材３４を介して結合されている。弾性部材３４の弾性定数は、振動制御体２６の質量との間で定まる固有振動数が、振動体１２における固有振動数に近づくように調整されている。これにより、振動制御体２６は共振効果により、上記実施形態の剛結合の場合に比べて、加振器２４の振動変位に対して大きな変位で振動することができる。このとき、図６（ｂ）に示すように、振動制御体２６の振動Ｖ₂は、加振器２４の加振の振動Ｖ₃に対して位相や振幅が異なっているので、制御信号Ｓ₂を生成するときに設定する時間遅れτと制御ゲインＧの値は、図１，２に示す実施形態において用いる時間遅れτと制御ゲインＧの値と異なる。振動体制御装置１０は、時間遅れτと制御ゲインＧを定めたときの振動体１２の振動Ｖ₁の周波数と振幅を予め実測し、このときの流速Ｕと時間遅れτと制御ゲインＧの値をセットにした参照テーブルを、制御ユニット２２は記憶保持する。振動体１２の振動Ｖ₁を制御するとき、記憶保持した参照テーブルを用いて時間遅れτと制御ゲインＧを設定するとよい。

（変形例２）
図７は、本実施形態の振動体制御装置１０の他の変形例を模式的に説明した図である。本変形例では、振動体（振動子）１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，・・・が流れ場Ｆ内に流れ方向に一列に配列している。振動体１２ａと振動体１２ｄの間に振動制御体２６が設けられている。以降の説明では、振動体１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，・・・のうち、振動体１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆを代表して説明する。

振動体１２ａ〜１２ｆのそれぞれには、図１に示す振動体１２と同様に、図示されないロッドが振動体１２ａ〜１２ｆの端部にそれぞれ設けられている。このロッドの先端には、磁場発生器１４ａと同様の磁場発生器が設けられ、磁場発生器の対向する位置には、導電体１４ｂと同様の導電体が設けられる。振動体１２ａ〜１２ｆの振動により、導電体と磁場発生器の印加磁場との間で相対的な運動が発生し、この運動によって、発電が行われる。
このような発電機に対して、一列を成した振動体１２ａ〜１２ｆの列の中に、振動制御体２６を配置することで、振動制御体２６の下流側に位置する振動体１２ｄ〜１２ｆの振動Ｖ_1d〜Ｖ_1fのみならず、振動制御体２６の上流側に位置する振動体１２ａ〜１２ｃの振動Ｖ_1a〜Ｖ_1cを制御することができる。より具体的には、振動制御体２６の下流側に位置する振動体１２ｄは、振動制御体２６の振動Ｖ₂によって撹乱されたせん断流れ３０がせん断流れ３２ｄを撹乱することにより振動Ｖ_1dが制御される。さらに、この振動Ｖ_1dによってつくられる撹乱されたせん断流れ３２ｄがせん断流れ３２ｅを撹乱することにより、振動体１２ｅの振動Ｖ_1eは制御される。同様にして、振動体１２ｅの制御された振動Ｖ_1eによってつくられる撹乱されたせん断流れ３２ｅがせん断流れ３２ｆを撹乱することにより、振動体１２ｆの振動Ｖ_1fが制御される。このようにして、振動制御体２６の下流側に位置する振動体１２ｄ〜１２ｆの振動Ｖ_1d〜Ｖ_1fは、順番に制御される。

一方、振動制御体２６の上流側に位置する振動体１２ａの振動Ｖ_1aは、振動制御体２６の振動Ｖ₂によってせん断流れ３２ａを撹乱することにより、制御される。このため、振動体１２ａの振動Ｖ_1aは、振動Ｖ₂によって制御される。さらに、振動体１２ａの振動Ｖ_1aは、上流側の振動体１２ｂのせん断流れ３２ｂを撹乱することにより、振動_1bを制御する。このため、振動体１２ｂの振動Ｖ_1bは、振動Ｖ_1aによって制御される。このようにして、振動制御体２６の上流側に位置する振動体１２ａ〜１２ｃの振動Ｖ_1a〜Ｖ_1cは、順番に撹乱されたせん断流れを介して制御される。

このような振動体１２ａ〜１２ｄの振動Ｖ_1a〜Ｖ_1fを計測ユニット２０ａ〜２０ｆが計測し、このときの各振動の振動エネルギーの合計が最も効率よく電気エネルギーに変換されるように、６つの計測信号に対して１つの時間遅れτおよび制御ゲインＧを、参照テーブルを参照して設定する。参照テーブルは、流速Ｕの種々の条件下、時間遅れτおよび制御ゲインＧの種々の値に対して、発電により生成される電流の値を予め記憶する。本変形例の振動体制御装置は、流速Ｕが変化した場合、より効率よく電流を生成するための時間遅れτおよび制御ゲインＧの値を設定し、この設定した値を用いて加振器２４を加振させる。これにより、複数の振動体１２ａ〜１２ｄの振動を同時に制御することができる。
また、本変形例の振動体制御装置は、発電機の生成する電流の値を一定に制御するために、時間遅れτおよび制御ゲインＧの値を設定し、この設定した値を用いて加振器２４を加振させる。また、本変形例の振動体制御装置は、発電機の電流がオペレータの指示入力された目標とする電流の値に近づくように、時間遅れτおよび制御ゲインＧの値を設定し、この設定した値を用いて加振器２４を加振させる。

本変形例では、振動体１２ａ〜１２ｆが互いに離間して一列に配列し、振動体１２ａ〜１２ｆのすべてが振動制御されるが、振動体１２ａ〜１２ｆの少なくとも1つが振動制御されるとよい。
本変形例では、６つの振動体１２ａ〜１２ｆの振動の計測信号を用いて振動制御体２６の振動Ｖ₂を制御するが、少なくとも振動体１２ａ〜１２ｆの１つの振動の計測信号を用いて振動制御体２６の振動Ｖ₂を制御してもよい。
振動体制御装置１０は、振動体１２ａ〜１２ｆ、・・・・による振動伝搬効果を利用することにより、流体励起振動を用いて風、潮流、河川流などの自然エネルギーから発電する発電機に有効利用することができる。さらに、図７に示す振動体制御装置１０を用いた発電機は、図１，２に示すような単独の振動体１２を用いる場合よりも多くの電気エネルギーを取り出す点で有効である。

上述の実施形態の振動体制御装置１０は，振動体１２の振動応答に基づいてフィードバック制御を行って加振した振動制御体２６により，流体励起振動の原因となる振動体１２周辺のせん断流れに制御効果の高い撹乱を送り込む。このため、振動体制御装置１０は、振動体１２の振幅を効率的に変化させることが可能となる。また、振動体制御装置１０は、加振時に与える時間遅れτと制御ゲインＧを適切に設定することにより、振動体１２の振幅を目標とする値に抑制させ、完全に振動を消滅させ、あるいは逆に目標とする振幅まで増幅させることができる。このため、振動体制御装置１０は、通常は流体励起振動が生じない流速域であっても振動体の振動を誘起するなど、流体励起振動の振幅を高精度にコントロールすることができる。
変形例１によれば，制御振動体２６を加振器２４の駆動部分に弾性部材３４を介して支持することによって、振動体制御装置１０は、振動制御体を固定支持した場合に比べ，共振効果により大きな振幅まで振動制御体２６を加振することができる。このため、同じ加振の振幅でより高い制御効果を得ることができる。また、より小さな変位で、振動制御体を固定支持した場合と同程度の振幅まで振動制御体２６を加振できるため，より小さな加振の変位で同程度の制御効果を得ることができる。

本実施形態、変形例１，２による振動抑制効果を用いれば、流体励起振動の原因である振動体１２の周辺のせん断流れに対して直接的に最も効率的なアクティブ制御が働くため、構造物にとって好ましくない流体励起振動に対して高い制振効果を実現できる。また，完全に振動を消滅させるのではなく，ある一定の振幅まで減少させるという制御も可能である。逆に、振動増幅効果を用いれば、振動体制御装置は、流体励起振動を利用して風力、潮力、河川等の自然エネルギーから発電する分野などにおいて、効率的な増幅によってより多くのエネルギーを生成させることができる。一方、振動体制御装置は、振幅を一定範囲以下に保持するように制御することで過度の増幅により装置が破壊される危険を防ぐとともに、通常は振動の発生しない低流速域でも振動を誘発する。しかも、振動体制御装置は、大振幅まで増幅することで流速Ｕの高い条件と同等の多くの電気エネルギーを取得することができる。

以上、本発明の振動体制御装置および振動体制御方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態および変形例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

１０ 振動体制御装置
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ 振動体
１４ 発電ユニット
１４ａ 磁場発生器
１４ｂ 導電体
１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆ，３４ 弾性部材
１８ 固定部
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ 計測ユニット
２２ 制御ユニット
２４ 加振器
２６ 振動制御体
３０，３２，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ，３２ｆ せん断流れ

Claims (9)

1. 流体の流れ場内に位置することによって生じる振動体の振動を制御する振動体制御装置であって、
   流体の流れ場内に位置することによって振動する振動体の振動を計測する計測ユニットと、
   前記振動体の周りに前記振動体に離間して配置され、振動することによって前記振動体の振動を制御する振動制御体と、
   前記計測ユニットの計測により得られた前記振動体の振動信号に応じて、前記振動体の振動を制御するための制御信号を生成する制御ユニットと、を有し、
   前記制御信号は、前記振動信号に対して位相遅れ調整およびゲイン調整の少なくとも一方を行った信号であり、
   前記振動制御体は、前記制御信号を前記振動制御体の加振信号に用いて加振される、ことを特徴とする振動体制御装置。
2. 前記振動制御体には、前記振動制御体を加振する加振機が弾性部材を介して接続されている、請求項1に記載の振動体制御装置。
3. 前記位相遅れ調整のために用いる前記振動信号に対する時間遅れおよび前記ゲイン調整のために用いる前記振動信号に対する制御ゲインは、前記流体の流速に応じて変化する、請求項１または２に記載の振動体制御装置。
4. 前記振動制御体は、前記流れ場において、前記振動体の上流側に配置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動体制御装置。
5. 前記流れ場の流れ方向に沿って、複数の振動子が互いに離間して一列に配列された構造体を制御対象とし、
   前記複数の振動子の少なくとも１つが前記振動体として振動制御される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動体制御装置。
6. 流体の流れ場に位置することによって生じる振動体の振動を制御する振動体制御方法であって、
   流体の流れ場に位置することによって振動する振動体の振動を計測するステップと、
   計測した前記振動体の振動信号に応じて、前記振動体の振動を制御するための制御信号を生成するステップと、
   前記振動体の周りに前記振動体に離間して配置された振動制御体を振動させることによって前記振動体の振動を制御するステップと、を有し、
   前記制御信号は、前記振動信号に対して位相遅れ調整およびゲイン調整の少なくとも一方を行った信号であり、
   前記振動制御体は、前記制御信号を前記振動制御体の加振信号に用いて加振される、ことを特徴とする振動体制御方法。
7. 前記位相遅れ調整のために用いる前記振動信号に対する時間遅れおよび前記ゲイン調整のために用いる前記振動信号に対する制御ゲインは、前記流体の流速に応じて変化する、請求項６に記載の振動体制御方法。
8. 前記振動制御体は、前記流れ場において、前記振動体の上流側に配置される、請求項６または７に記載の振動体制御方法。
9. 前記流れ場の流れ方向に沿って、複数の振動子が互いに離間して一列に配列された構造体を制御対象とし、
   前記複数の振動子の少なくとも１つが前記振動体として振動制御される、請求項６〜８のいずれか１項に記載の振動体制御方法。
   
   
   
   
   

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