JP5828699B2

JP5828699B2 - 振動制御システム

Info

Publication number: JP5828699B2
Application number: JP2011157501A
Authority: JP
Inventors: 雅之小檜山; ▲高▼橋　正樹; 正樹 ▲高▼橋; 奈々子三浦; 美奈子吉田; 啓介渡邉
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2011-07-19
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2031-07-19
Also published as: JP2013023844A

Description

本発明は、建物及び建物内に設置された設備に対する振動制御システムに関する。

従来、地震等によって振動する建物を制振する技術が開示されている（特許文献１参照）。また、建物が揺れることで生じる建物内の設備としてのエレベータロープの揺れに応じてエレベータを管制運転する技術が開示されている（特許文献２参照）。

特公平７−８４８１７号公報特開２００８−７４５３６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術は、建物の振動を制振するための技術であって、建物内に設置された設備の制振については、何ら考えられていない。また、特許文献２に記載された技術は、エレベータロープの揺れに応じてエレベータを管制運転する技術であって、建物の制振については、何ら考えられていない。すなわち、建物は建物の制御装置によって制御され、建物内の設備は設備の制御装置によって制御されている。

したがって、建物の制御装置及び設備の制御装置は、相互の制御によって応答が変化することについて考えられていないので、一方のシステムを制御することによって他方のシステムの応答が悪化する場合がある。

本発明は、上記課題を解決するためのものであって、建物及び建物内に設置された設備に対して、相互の状況に応じた適切な制振制御を行う振動制御システムを提供することを目的とする。

地面に建てられた建物と、
前記建物の振動を制振する建物用制振装置と、
前記建物に設置された設備と、
前記設備の振動を制振する設備用制振装置と、
前記建物用制振装置と前記設備用制振装置とは、相互通信可能であり、
前記建物用制振装置は、前記設備の振動特性を記憶していると共に、前記建物の振動応答値を前記設備用制振装置に通信し、協調して制御し、
前記設備用制振装置は、前記建物の振動特性を記憶していると共に、前記設備の振動応答値を前記建物用制振装置に通信し、協調して制御し、

前記建物の振動が所定の閾値以上の場合、
前記建物用制振装置は、以下の式（１'）の評価関数が最小となるように制御し、

前記設備用制振装置は、以下の式（２'）の評価関数が最小となるように制御し、

前記建物の振動が所定の閾値よりも小さい場合、
前記建物用制振装置及び前記設備用制振装置は、以下の式（３'）の評価関数が最小となるように制御する
ことを特徴とする振動制御システム。

ここで、
ｙ _b は低減させたい建物の応答ベクトル、
Ｑ _b は建物応答の重み係数行列、
ｕ _b は建物用制御力ベクトル、
Ｒ _b は建物用制御力の重み係数行列、
ｙ _r は低減させたい設備の応答ベクトル、
Ｑ _r は設備応答の重み係数行列、
ｕ _r は設備用制御力ベクトル、
Ｒ _r は設備用制御力の重み係数行列、
αは制御対象間のバランスを決定する係数、
である。

地面に建てられた建物と、
前記建物の振動を制振する建物用制振装置と、
前記建物に設置された設備と、
前記設備の振動を制振する設備用制振装置と、
前記建物用制振装置と前記設備用制振装置とは、相互通信可能であり、
前記建物用制振装置は、前記設備の振動特性を記憶していると共に、前記建物の振動応答値を前記設備用制振装置に通信し、協調して制御し、
前記設備用制振装置は、前記建物の振動特性を記憶していると共に、前記設備の振動応答値を前記建物用制振装置に通信し、協調して制御し、

前記建物の振動が所定の閾値以上の場合、
前記建物用制振装置は、以下の式（１"）の評価関数が最小となるように制御し、

前記設備用制振装置は、以下の式（２"）の評価関数が最小となるように制御し、

前記建物の振動が所定の閾値よりも小さい場合、
前記建物用制振装置及び前記設備用制振装置は、以下の式（３"）の評価関数が最小となるように制御する
ことを特徴とする振動制御システム。

本発明の振動制御システムでは，建物及び建物内に設置された設備に対して、相互の状況に応じた適切な制振制御を行うことができる。

振動制御システムの一実施形態のモデルを示す図である。振動制御システムの一実施形態のブロック図である。振動制御装置の一実施形態を示す図である。振動制御システムのモデルの一実施例を示す図である。ビル用制御装置の制御フローチャートを示す図である。エレベータロープ用制御装置の制御フローチャートを示す図である。ビルの層間変形角の最大値の比較を示す図である。ビル−エレベータロープ間距離の最大値の比較を示す図である。ビルの層間変形角の最大応答の時刻歴変化を示す図である。ビル−エレベータロープ間距離の最大応答の時刻歴変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、振動制御システムの一実施形態のモデルを示す図である。

本実施形態の振動システム１のモデルは、地面Ｌに建つ建物Ｂと、建物Ｂ内に設置された設備Ｆと、を有する。建物Ｂは、地震等の地面Ｌからの振動Ｅの入力に対して制振制御するための建物用制振装置Ｂ１を有する。また、設備Ｆは、建物からの振動Ｖの入力に対して制振制御するための設備用制振装置Ｆ１を有する。

図２は、振動制御システムの一実施形態のブロック図である。

振動制御システムでは、まず、地震動Ｅが建物Ｂに入力される。建物Ｂの振動は、建物用制振装置Ｂ１に入力されて制御されると共に、設備Ｆを振動させる。また、建物Ｂの振動は、設備用制振装置Ｆ１にも入力されて設備Ｆを制御するためにも使用される。設備Ｆの振動は、設備用制振装置Ｆ１に入力されて制御されると共に、建物用制振装置Ｂ１に入力されて建物Ｂを制御するためにも使用される。

図３は、振動制御装置の一実施形態を示す図である。

建物用振動制御装置Ｂ１は、建物の加速度を検出する加速度センサ等からなる建物用センサＢＳと、建物用センサＢＳの検出した検出値が入力される建物用コントローラＢＣと、建物用コントローラＢＣによって制御されて建物を制振するアクティブマスダンパー等の建物用アクチュエータＢＡと、を有する。

設備用振動制御装置Ｆ１は、設備にあわせた所定のパラメータを検出する設備用センサＦＳと、設備用センサＦＳの検出した検出値が入力される設備用コントローラＦＣと、設備用コントローラＦＣによって制御されて設備を制振する設備用アクチュエータＦＡと、を有する。

また、建物用コントローラＢＣと設備用コントローラＦＣとは相互に通信可能である。例えば、建物用コントローラＢＣは、建物の振動応答値を設備用コントローラＦＣに送信する。また、設備用コントローラＦＣは、設備の振動応答値を建物用コントローラＢＣに送信する。

さらに、非制御時の建物Ｂの振動特性と設備Ｆの振動特性をそれぞれ共有して記憶しておくことが好ましい。例えば、建物Ｂ及び設備Ｆの固有振動数又は固有周期、及び減衰係数等である。

図４は、振動制御システムのモデルの一実施例を示す図である。

モデルは、地面Ｌに建てられた建物としてのビル１と、建物用制振装置としてのビル用制振装置２と、ビル１内をガイドに沿って昇降する設備としてのエレベータ１１と、エレベータ１１を吊す設備としてのエレベータロープ１２と、設備用制振装置としてのエレベータロープ用制振装置１３と、を有する。

ビル用制振装置２は、おもり３と、おもり３を移動させるビル用アクチュエータ４と、を有し、おもり３をアクチュエータ４で動かした際の反動によってビル１を制振するアクティブマスダンパーである。

エレベータロープ用制振装置１３は、エレベータロープ１２をドラム等に巻いてエレベータを上げ下げする巻き上げ機１４と、巻き上げ機１４を載せた台車等を移動させる巻き上げ機用アクチュエータ１５と、を有し、巻き上げ機用アクチュエータ１５によって巻き上げ機１４を載せた台車等を移動させることで、エレベータロープ１２を制振する。

図４に示した振動制御システムのモデルに対するシミュレーションについて説明する。

建物に関するパラメータは、質点数Ｎ_m＝６０、１次固有周期Ｔ_m1＝５．８ｓ、１次減衰定数ζ_m1＝０．０１、階高Δｈ＝４ｍ、各層の質量ｍ_i＝１×１０⁶ｋｇである。また、エレベータロープに関するパラメータは、分割数Ｎ_r＝５９、線密度ρＡ＝１．７ｋｇ／ｍ、減衰定数ζ_r＝０．００８、本数ｎ_r＝５本である。

モデル化は、建物をせん断質点系、エレベータロープを有限要素で行う。運動方程式は、以下の式（Ａ）となる。

ここで、
Ｍは質量行列、
Ｃは減衰行列、
Ｋは剛性行列、
ｘは変位ベクトル、
・・ｚは地動加速度、
ｆは制御力の分配ベクトル、
ｕは制御力ベクトル
である。

地面Ｌからビル１への入力地震動Ｅは、２００４年新潟県中越地震Ｋ−ＮＥＴ新宿観測記録ＥＷ成分を用いる。制御力は、線形２次形式レギュレータ理論を用いて決定する。

本実施例は、ビル１の振動が所定の閾値以上の時には、ビル用制振装置２はビル１の制振に専念して行うように以下の式（１）の評価関数が最小となるように制御する。

評価関数J_b＝｛建物の応答ベクトルy_bと、建物応答の重み係数行列Q_bと、
建物用制御力ベクトルu_bと、建物用制御力の重み係数行列R_b
より計算される関数｝（１）

ここでは、具体例として、以下の式（１'）の評価関数が最小となるように制御を行う。

なお、他の例として、以下の式（１"）の評価関数が最小となるように制御してもよい。

ここで、
ｙ_bは低減させたい建物の応答ベクトル、
Ｑ_bは建物応答の重み係数行列、
ｕ_bはビル用制御力ベクトル、
Ｒ_bはビル用制御力の重み係数行列、
である。

また、同様に、ビル１の振動が所定の閾値以上の時には、エレベータロープ用制振装置１３はエレベータロープ１２の制振に専念して行うように以下の式（２）の評価関数が最小となるように制御する。

評価関数J_r＝｛設備の応答ベクトルy_rと、設備応答の重み係数行列Q_rと、
設備用制御力ベクトルu_rと、設備用制御力の重み係数行列R_r
より計算される関数｝（２）

ここでは、具体例として、以下の式（２'）の評価関数が最小となるように制御を行う。

なお、他の例として、以下の式（２"）の評価関数が最小となるように制御してもよい。

ここで、
ｙ_rは低減させたいエレベータの応答ベクトル、
Ｑ_rは設備応答の重み係数行列、
ｕ_rはエレベータロープ用制御力ベクトル、
Ｒ_rはエレベータロープ用制御力の重み係数行列、
である。

振動が所定の閾値より小さい時には、ビル１とエレベータロープ１３の相互の振動を考慮して、それぞれビル用制振装置２及びエレベータロープ用制振装置１３は、以下の式（３）の評価関数が最小となるように制御する。

評価関数J_br＝｛建物の応答ベクトルy_bと、建物応答の重み係数行列Q_bと、
建物用制御力ベクトルu_bと、建物用制御力の重み係数行列R_bと、
設備の応答ベクトルy_rと、設備応答の重み係数行列Q_rと、
設備用制御力ベクトルu_rと、設備用制御力の重み係数行列R_rと、
制御対象間のバランスを決定する係数α
より計算される関数｝（３）

ここでは、具体例として、以下の式（３'）の評価関数が最小となるように制御を行う。

なお、他の例として、以下の式（３"）の評価関数が最小となるように制御してもよい。

ここで、
ｙ_bは低減させたい建物の応答ベクトル、
Ｑ_bは建物応答の重み係数行列、
ｕ_bは建物用制御力ベクトル、
Ｒ_bは建物用制御力の重み係数行列、
ｙ_rは低減させたい設備の応答ベクトル、
Ｑ_rは設備応答の重み係数行列、
ｕ_rは設備用制御力ベクトル、
Ｒ_rは設備用制御力の重み係数行列、
αは制御対象間のバランスを決定する係数、
である。

次に、本実施例の制御フローチャートについて説明する。

図５はビル用制振装置２による制御フローチャートを示す図である。

まず、ステップ１で、地震動が入力される（ＳＴ１）。次に、ステップ２で、ビル１の振動レベルが所定の閾値以上か否かを判断する（ＳＴ２）。

ステップ２において、ビル１の振動レベルが所定の閾値以上の場合、ステップ３で、ビル１の振動を制御する（ＳＴ３）。

ステップ２において、ビル１の振動レベルが所定の閾値より小さい場合、ステップ４で、ビル１の振動が悪化しないように考慮しつつ、エレベータロープ用制振装置１３と協調してエレベータロープ１２の振動を制御する（ＳＴ４）。

図６はエレベータロープ用制振装置１３の制御フローチャートを示す図である。

まず、ステップ１１で、地震動が入力される（ＳＴ１１）。次に、ステップ１２で、ビル１の振動レベルが所定の閾値以上か否かを判断する（ＳＴ１２）。

ステップ１２において、ビル１の振動レベルが所定の閾値以上の場合、ステップ１３で、エレベータロープ１２の振動を制御する（ＳＴ１３）。

ステップ１２において、ビル１の振動レベルが所定の閾値より小さい場合、ステップ１４で、ビル用制振装置２と協調してエレベータロープ１２の振動を制御する（ＳＴ１４）。

図７は、ビルの層間変形角の最大値の比較を示す図である。横軸はビルの１つ上の階における床の相対変位を階の高さで割った層間変形角であり、縦軸は高さを示す。

図中、破線は、非制御時の応答である。また、点線は、ビル用制振装置２がビル１の振動のみを考慮して制御し、エレベータロープ用制振装置１３がエレベータロープ１２の振動のみを考慮して制御した時の応答である。さらに、実線は、ビル用制振装置２とエレベータロープ用制振装置１３が互いの応答値を通信し、協調して制御した時の応答である。以下、図８〜図１０まで同様である。

図７に示すように、非制御の応答及びビル用制振装置２がビル１の振動のみを考慮して制御し、エレベータロープ用制振装置１３がエレベータロープ１２の振動のみを考慮して制御した時の応答と比較して、ビル用制振装置２とエレベータロープ用制振装置１３が互いの応答値を通信し、協調して制御した時の応答は、層間変形角が小さくなっていることが確認できる。

図８は、ビル−エレベータロープ間距離の最大値の比較を示す図である。横軸はビルとエレベータロープ間の距離であり、縦軸は高さを示す。

図８に示すように、非制御の応答及びビル用制振装置２がビル１の振動のみを考慮して制御し、エレベータロープ用制振装置１３がエレベータロープ１２の振動のみを考慮して制御した時の応答と比較して、ビル用制振装置２とエレベータロープ用制振装置１３が互いの応答値を通信し、協調して制御した時の応答は、ビルとエレベータロープ間の距離が小さくなっていることが確認できる。

図９は、ビルの層間変形角の最大応答の時刻歴変化を示す図である。

図９に示すように、非制御の応答及びビル用制振装置２がビル１の振動のみを考慮して制御し、エレベータロープ用制振装置１３がエレベータロープ１２の振動のみを考慮して制御した時の応答と比較して、ビル用制振装置２とエレベータロープ用制振装置１３が互いの応答値を通信し、協調して制御した時の応答は、地震動が建物に入力している約１００秒〜１２５秒で低減し、応答の収束を早めている。

図１０は、ビル−エレベータロープ間距離の最大応答の時刻歴変化を示す図である。

図１０に示すように、非制御の応答及びビル用制振装置２がビル１の振動のみを考慮して制御し、エレベータロープ用制振装置１３がエレベータロープ１２の振動のみを考慮して制御した時の応答と比較して、ビル用制振装置２とエレベータロープ用制振装置１３が互いの応答値を通信し、協調して制御した時の応答は、地震動がビル１に入力している約１００秒〜１２５秒で低減するだけでなく、地震動が収まった１５０秒後でも低減している。

このように、振動制御システムは、地面に建てられたビル１と、ビル１の振動を制振するビル用制振装置２と、ビル１に設置されたエレベータロープ１２と、エレベータロープ１２の振動を制振するエレベータロープ用制振装置１３と、ビル用制振装置２とエレベータロープ用制振装置１３とは、相互通信可能であり、ビル用制振装置２は、ビル１の振動応答値をエレベータロープ用制振装置１３に送信し、エレベータロープ用制振装置１３は、エレベータロープ１２の振動応答値をビル用制振装置２に送信するので、ビル１及びビル１内に設置されたエレベータロープ１２に対して、相互の状況に応じた適切な制振制御を行うことが可能となる。また、既存のビル１およびビル用制振装置２に対して、エレベータロープ用制振装置１３を通信可能に設けることで、簡単に適用することが可能となる。

また、エレベータロープ用制振装置１３がビル１の振動特性を記憶していると、さらに適切な制振制御を行うことが可能となる。

また、ビル用制振装置２がエレベータロープ１２の振動特性を記憶していると、さらに適切な制振制御を行うことが可能となる。

また、ビル１の振動が所定の閾値以上の場合、ビル用制振装置２は、式（１）の評価関数が最小となるように制御し、エレベータロープ用制振装置１３は、式（２）の評価関数が最小となるように制御し、ビル１の振動が所定の閾値よりも小さい場合、ビル用制振装置２及びエレベータロープ用制振装置１３は、式（３）の評価関数が最小となるように制御するので、ビル１に入力している地震動が大きい振動の場合には、ビル用制振装置２がビル１の振動のみを考慮して制御し、エレベータロープ用制振装置１３がエレベータロープ１２の振動のみを考慮して制御して、ビル１とエレベータロープ１２のそれぞれの制振を適切に行うことが可能であり、地震動が収まり振動が小さくなった後は、ビル用制振装置２とエレベータロープ用制振装置１３が互いの応答値を通信し、協調して制御して、ビル１とエレベータロープ１２が互いの振動を考慮して適切に効率よく制振することが可能となる。

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１…ビル（建物）
２…ビル用制振装置（建物用制振装置）
３…おもり（建物用制振装置）
１１…エレベータ（設備）
１２…エレベータロープ（設備）
１３…エレベータロープ用制振装置（設備用制振装置）
１４…巻き上げ機（設備用制振装置）
１５…巻き上げ機用アクチュエータ（設備用制振装置）
Ｌ…地面
Ｂ…建物
Ｂ１…建物用制振装置
Ｆ…設備
Ｆ１…設備用制振装置
Ｅ…入力地震波
Ｖ…建物の振動

Claims

地面に建てられた建物と、
前記建物の振動を制振する建物用制振装置と、
前記建物に設置された設備と、
前記設備の振動を制振する設備用制振装置と、
前記建物用制振装置と前記設備用制振装置とは、相互通信可能であり、
前記建物用制振装置は、前記設備の振動特性を記憶していると共に、前記建物の振動応答値を前記設備用制振装置に通信し、協調して制御し、
前記設備用制振装置は、前記建物の振動特性を記憶していると共に、前記設備の振動応答値を前記建物用制振装置に通信し、協調して制御し、
前記建物の振動が所定の閾値以上の場合、
前記建物用制振装置は、以下の式（１'）の評価関数が最小となるように制御し、

前記設備用制振装置は、以下の式（２'）の評価関数が最小となるように制御し、

前記建物の振動が所定の閾値よりも小さい場合、
前記建物用制振装置及び前記設備用制振装置は、以下の式（３'）の評価関数が最小となるように制御する
ことを特徴とする振動制御システム。

ここで、
ｙ _b は低減させたい建物の応答ベクトル、
Ｑ _b は建物応答の重み係数行列、
ｕ _b は建物用制御力ベクトル、
Ｒ _b は建物用制御力の重み係数行列、
ｙ _r は低減させたい設備の応答ベクトル、
Ｑ _r は設備応答の重み係数行列、
ｕ _r は設備用制御力ベクトル、
Ｒ _r は設備用制御力の重み係数行列、
αは制御対象間のバランスを決定する係数、
である。
地面に建てられた建物と、
前記建物の振動を制振する建物用制振装置と、
前記建物に設置された設備と、
前記設備の振動を制振する設備用制振装置と、
前記建物用制振装置と前記設備用制振装置とは、相互通信可能であり、
前記建物用制振装置は、前記設備の振動特性を記憶していると共に、前記建物の振動応答値を前記設備用制振装置に通信し、協調して制御し、
前記設備用制振装置は、前記建物の振動特性を記憶していると共に、前記設備の振動応答値を前記建物用制振装置に通信し、協調して制御し、
前記建物の振動が所定の閾値以上の場合、
前記建物用制振装置は、以下の式（１"）の評価関数が最小となるように制御し、

前記設備用制振装置は、以下の式（２"）の評価関数が最小となるように制御し、

前記建物の振動が所定の閾値よりも小さい場合、
前記建物用制振装置及び前記設備用制振装置は、以下の式（３"）の評価関数が最小となるように制御する
ことを特徴とする振動制御システム。

ここで、
ｙ _b は低減させたい建物の応答ベクトル、
Ｑ _b は建物応答の重み係数行列、
ｕ _b は建物用制御力ベクトル、
Ｒ _b は建物用制御力の重み係数行列、
ｙ _r は低減させたい設備の応答ベクトル、
Ｑ _r は設備応答の重み係数行列、
ｕ _r は設備用制御力ベクトル、
Ｒ _r は設備用制御力の重み係数行列、
αは制御対象間のバランスを決定する係数、
である。