JP6037888B2 - 制振装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば高層ビルの最上階に設置することで、風よる揺れ及び地震による揺れの両方を低減できる制振装置に関する。

従来、高層ビルなどの塔状構造物の風揺れ対策として、制振装置を高層ビル最上階に設置することが行なわれている。この制御装置としては、ビルの最上階床面に設置した速度センサでビルの揺れ（ビル速度と変位）と可動マスの速度、変位等の応答量を検出し、あらかじめ最適制御理論などにより計算された一定の制御ゲインを、検出した応答量に乗じて求められる制御力（駆動力）を演算により求める。そして、この制御力で可動マスを駆動させ、可動マスの振動を構造物に伝達することで構造物の揺れを減衰させる。
特許文献１では、従来の制震装置を発展させ、可動マスの制御力に可変ゲイン制御、リミット制御を行い、地震時などの大入力時にも可動マスを許容ストローク範囲内に収める手法が提案されている。

また、特許文献２は、可動マスの変位を予測することで、可動マスの変位を許容ストローク範囲内に収まるように制御ゲインを調整する手法を提案している。

さらに、特許文献３は、風対策用の制振モードと地震対策用の制振モードを有しており、二つの制御モードを切り替えることで、風による揺れと地震による揺れに対応している。特許文献３は、地震対策用の制振モードは、風対策用の制振モードで得られる制御力に対してゲインを乗じた構成とされている。

特許第4857829号公報 特開2010-255791号公報 特開2011-174509号公報

しかし、特許文献１では変位の制御指令に適宜選定される１以下のゲインを乗じているため、実際に可動マスを駆動させるときのストロークが許容ストローク範囲に対して大幅に小さくなってしまう。したがって、特許文献１では、可動マスが可動できる許容ストローク範囲を十分に活かしきれず、最良の制振効果を得ることができない。また、リミット制御を行っているため、大入力時には、変位指令値が飽和してしまい、十分に制振効果を得ることができなくなる。
また、特許文献２においても、予測誤差や急激な入力に対しては、可動マスの変位が許容ストローク範囲を超えてしまうことが想定される。
また、特許文献３においては、過大な外乱に対しては許容ストローク範囲を超えてしまうため、ブレーキモードにて装置を停止させており、地震に対しては積極的に制振を行っていない。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、可動マスの許容ストローク範囲内で、最良の制振効果を得ることのできる制振装置を提供することを目的とする。

かかる目的のもとなされた本発明は、制振対象となる構造物の揺れに応じて構造物に設けた可動マスをアクチュエータにより駆動することにより構造物の揺れを減衰させる制振装置に関するものであり、構造物の変位、構造物の速度及び構造物の加速度の少なくとも一つを検出する第１検出手段、可動マスの変位及び可動マスの速度の少なくとも一方を検出する第２検出手段と、可動マスの目標変位と第２検出手段で検出された可動マスの変位との偏差である変位偏差、及び、可動マスの目標速度と第２検出手段で検出された可動マスの速度との偏差である速度偏差の少なくとも一方を求め、変位偏差、及び、速度偏差の少なくとも一方に基づいて、アクチュエータに可動マスを駆動させる制御指令を生成する制御部と、を備え、目標変位、及び、目標速度は、可動マスの振幅が一定で、かつ、構造物の揺れに対して、減衰に働くように位相が設定されることを特徴とする。

本発明において、目標変位、及び、目標速度を設定する手法は以下説明するように少なくとも第１手法から第４手法まで存在するが、いずれも演算処理を伴うものであり、その演算による影響が少なくなるように手法を選択することが望ましい。
第１手法は、可動マスの許容ストローク範囲内において一定の振幅で駆動させるマス加速度振幅目標値Ａ_refを、構造物の速度波形の振幅Ａ_ｂで除して得られる減衰項αに、第１検出手段で検出された構造物のビル速度ｖ_１を乗じて得られる結果に基づいて、目標変位、及び、目標速度を設定する。
第２手法は、可動マスの許容ストローク範囲内において一定の振幅で駆動させるマス速度振幅目標値Ａ_refを、構造物の変位波形の振幅Ａ_ｂで除して得られる減衰項αに、第１検出手段で検出された構造物のビル変位ｘ_１を乗じて得られる結果に基づいて、目標変位、及び、目標速度を設定する。
第３手法は、可動マスの許容ストローク範囲内において一定の振幅で駆動させるマス変位目標値Ａ_refを、構造物の速度波形の振幅Ａ_ｂで除して得られる減衰項αに、第１検出手段で検出された構造物のビル速度ｖ_１を乗じて得られる結果に基づいて、目標変位、及び、目標速度を設定する。
第４手法は、可動マスの許容ストローク範囲内において一定の振幅で駆動させるマス速度目標値Ａ_refを、構造物の速度波形の振幅Ａ_ｂで除して得られる減衰項αに、第１検出手段で検出された構造物の加速度ａ_１に、乗じて得られる結果に基づいて、目標変位、及び、目標速度を設定する。

本発明の制振装置によれば、目標変位、及び、目標速度を、可動マスの振幅が一定で、かつ、構造物の揺れに対して減衰に働くように位相が設定されるので、可動マスの許容ストローク範囲内で、最良の制振効果を得ることができる。

本実施形態の制振装置における制御手法が適用される制御対象をモデル化して示す図である。 本実施形態による制振装置の制御ロジックを示す図である。 本実施形態による制振装置と比較制振装置のシミュレーションによる制振効果を示す図である。 本実施形態の制御ロジックの変形例を示す図である。 本実施形態の制御ロジックの他の変形例を示す図である。 本実施形態の制御ロジックの他の変形例を示す図である。

［第１実施形態］
以下、本発明を添付図面を参照しながら実施形態に基づいて説明する。
本実施形態における制振装置は、例えば、図１に示すモデル化された制御対象に設けられる。
この制御対象は、地面１の上に構造物としてのビル２が設けられ、ビル２には制振装置を構成する可動マス（質量体）３が設けられている。この制御対象は、可動マス３をビル２の揺れを打ち消す方向に振動させ、その振動をビル２に伝達することによってビル２の揺れを減衰させるためのものである。
このモデルでは、地面１とビル２との間で作用する力を、バネ定数Ｋ_１及び減衰定数(ダンパ係数)Ｃ_１を用いて近似を行う。ここではビル２を一つの剛体とみなし、ビル２の全体で地面１との力を作用させて変位が生じるものとする。また、ビル２の質量はｍ_１とする。
また、ビル２と可動マス３との間で作用する力を、バネ定数Ｋ_２と減衰定数(ダンパ係数)Ｃ_２と制御力ｆを用いて近似を行う。ここで制御力は、可動マス３を駆動させる力である。また、可動マス３の質量はｍ_２とする。

図１より、制御対象の数式モデルは以下の（１）式及び（２）式となる。

（１）式，（２）式よりｆ（可動マス３の制御力）を消去すると（３）式が得られる。

（３）式において、（４）式とすれば、（５）式を得ることができる。

（５）式においては、ビル２の粘性係数がＣ_１＋Ｃ’となり、制振に作用する減衰能力が強くなることがわかる。
ここで、（４）式を（６）式のように書き直す。

（６）式において、減衰項αはビル速度（ｘ_１の一階微分）の正規化を行い、許容ストローク範囲内に収まるように（７）式とすることで決定される。ここで、Ａ_refは、許容ストローク範囲内で、一定の振幅で駆動させるマス加速度振幅目標値であり、Ａ_ｂはビル２の速度波形の振幅（以下、速度振幅）である。なお、本願において、微分及び積分は、時間微分及び時間積分を意味する。

（７）式において、αは逐次検出されるビル２の速度振幅に応じて変化する値となり、これは本実施形態による制御手法が、可変ゲイン制御することを意味する。また、（６）式、及び（７）式より、可動マス３の変位はビルの揺れ(振幅)によらず一定値にできることがわかる。もちろん、この一定値は、可動マス３の許容ストローク範囲内に留まる。なお、可動マス３の変位は、基準点、例えばストロークの中心からの距離と捉えられる。
つまり、（６）式を可動マス３の目標加速度として、（６）式を一階積分した値を可動マス３の目標速度とし、さらに、二階積分した値を可動マス３の目標変位として与えてやることで、ビル２の減衰項をＣ_１＋Ｃ’にすることができる。つまり、本実施形態の制御手法によると、減衰性能を強くできる。また、目標速度及び目標変位は、ビル２の揺れの速度及び変位に対して各々９０度だけ位相が遅れて、振幅を一定に動かすことを意味している。

次に、図２を参照して本実施形態の制振装置１０について説明する。なお、制振装置１０は、図１に示したビル２及び可動マス３を備えるモデル化された制御対象に適用されるものとして、以下説明する。
制振装置１０は、ビル２に取り付けられるビル変位センサ１１とビル速度センサ１３を備えている。ビル変位センサ１１は、ビル２の水平方向の変位量（ビル変位ｘ_１）を検出し、ビル速度センサ１３はビル２の水平方向の速度（ビル速度ｖ_１，（ｘ_１の一階微分））を検出する。
また、制振装置１０は、ビル２の頂部に設けられた可動マス３を駆動するモータ（アクチュエータ）４に取り付けられたマス変位センサ１５とマス速度センサ１７を備えている。マス変位センサ１５はモータ４の動作から可動マス３の水平方向の変位量（マス変位ｘ_２）を検出し、マス速度センサ１７はモータ４の動作から可動マス３の水平方向の速度（マス速度ｖ_２，（ｘ_２の一階微分））を検出する。
なお、速度は変位の時間微分で特定できるので、ビル速度ｖ_１、マス速度ｖ_２は、速度センサによらず、変位センサの検出結果から算出することもできるし、逆に、ビル変位ｘ_１、マス変位ｘ_２は、変位センサによらず、速度センサの検出結果から算出することもできる。したがって、ここでは、変位センサと速度センサを設ける例を示しているが、変位センサと速度センサのいずれか一方のみをでも本実施形態を実現できる。

制振装置１０は制御器２０を備えており、制御器２０は、ビル変位ｘ１に制御ゲインＫｄ１を乗じた信号Ｓ１を出力する第１ゲイン乗算部２１と、ビル速度ｖ１に制御ゲインＫｄ２を乗じた信号Ｓ２を出力する第２ゲイン乗算部２３と、マス変位ｘ_２と可動マス３の目標変位との偏差Ｄ１に制御ゲインＫｄ３を乗じた信号Ｓ３を出力する第３ゲイン乗算部２５と、マス速度ｖ_２と可動マス３の目標速度との偏差Ｄ１に制御ゲインＫｄ４を乗じた信号Ｓ４を出力する第４ゲイン乗算部２７と、を備えている。可動マス３の目標速度は、前述したように、（６）式を一階積分した値であり、また、可動マス３の目標変位は、（６）式を二階積分した値である。なお、制御器２０において、前述した（７）式に対応する手順は、「可変ゲイン」のところで実行される。
制御ゲインＫｄ１〜Ｋｄ４は、例えば最適制御理論により計算されるものであり、任意に設定される定数を意味する。

制御器２０は、第１ゲイン乗算部２１からの信号Ｓ１と、第２ゲイン乗算部２３からの信号Ｓ２、第３ゲイン乗算部２５からの信号Ｓ３と、第４ゲイン乗算部２７からの信号Ｓ４を全て合算する。制御器２０は、全て合算した合算値を可動マス３に加える制御力ｆに対する制御指令として、モータ４に与える。

ここで、マス変位ｘ_２に制御ゲインＫｄ３を乗じた信号Ｓ３’、及び、マス速度ｖ_２に制御ゲインＫｄ４を乗じた信号Ｓ４’を、前述した信号Ｓ１、及び、信号Ｓ２に合算する制御ロジック（比較ロジック）も成立するが、これは、ビルの変位及び速度、マスの変位及び速度を、目標をゼロにすることを想定している。これに対し、本実施形態の制御ロジックは、上述したように、可変ゲイン制御を追加している。これにより、可動マス３の変位と速度に対して、目標をゼロにするのではなく、制振対象構造物であるビル２の揺れの減衰を強める動きを目標値とする。

以上説明したように、制振装置１０によると、風による揺れや、地震等の急激なビル２の揺れに対しても、可動マス３の振幅が一定となるように可変制御ゲインαで目標変位、目標速度を求めているので、可動マス３の許容ストローク範囲内で、最良の制振効果を効率よく確実に発揮することができる。しかも本実施形態によれば、新たな装置を構築することなく、制御ソフトの変換のみで地震に対する制振効果を効果的に得ることができる。
比較ロジックと本実施形態によるロジックを用いて、地震に対するビル２の制振効果をシミュレーションにより確認した。その結果を図３に示す。本実施形態によると、比較アクティブロジックでは、可動マス３が許容ストローク範囲を超えて振動してしまうのに対して、本発明によると可動マス３の振動は一定部分を備え、かつ許容ストローク範囲内に収まっている。

［第２〜第４実施形態］
第１実施形態では、可変制御ゲインαを（７）式に示すように、可動マス３の目標加速度をビル２の速度振幅で除したものとしている。しかし、(４)式の位相関係、つまりマス変位ｘ_２がビル変位ｘ１よりも９０度だけ位相遅れになるという条件が満たされるのであれば、αを上記に限る必要はない。例えば、（４）式の位相関係を満たす組合せとして下記の（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）がある。（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、（６）式及び（７）式に対応する。また、下記の（ａ）は上述した第１実施形態に対応する。下記の（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に基づく制御ロジックを、図４、図５及び図６に示す。なお、図２と同じ構成要素には図２と同じ符号を付している。以下、第１実施形態との相違点を中心に図４、図５及び図６について説明する。

［第２実施形態］
第２実施形態は、αが、マス目標速度振幅をビル２の変位波形の振幅（以下、変位振幅）で除した値となるので、逐次検出されるビル２の変位振幅に応じて変化する値となる。マス変位をビル２の揺れによらず一定の範囲にできることは、第１実施形態と同じである。第３，４実施形態も同様である。
第２実施形態は、図４に示すように、上記（ｂ）で与えられる可変ゲイン（可動マス３の変位ｘ_２の一階微分）を一階積分した値を可動マス３の目標変位として与える。

第２実施形態は、第３ゲイン乗算部２５がマス変位ｘ_２と可動マス３の目標変位との偏差Ｄ１１に制御ゲインＫｄ３１を乗じた信号Ｓ３１を出力し、第４ゲイン乗算部２７がマス速度ｖ_２と可動マス３の目標速度との偏差Ｄ２１に制御ゲインＫｄ４１を乗じた信号Ｓ４１を出力する。第１ゲイン乗算部２１と第２ゲイン乗算部２３は第１実施形態と同じである。
第２実施形態は、第１ゲイン乗算部２１からの信号Ｓ１と、第２ゲイン乗算部２３からの信号Ｓ２、第３ゲイン乗算部２５からの信号Ｓ３１と、第４ゲイン乗算部２７からの信号Ｓ４１は全て合算される。全て合算された合算値が可動マス３に加える制御力ｆに対応する制御指令として、モータ４に与えられる。

［第３実施形態］
第３実施形態は、αが、可動マス３の目標振幅をビル２の速度振幅で除した値となるので、逐次検出されるビル２の速度振幅に応じて変化する値となる。
第３実施形態は、図５に示すように、上記（ｃ）で与えられる可変ゲイン（可動マス３のマス変位Ｘ_２）を一階積分した値を可動マス３の目標速度として与える。
なお、（ｃ）は、マス変位ｘ_２がビル変位ｘ１よりも９０度だけ位相が遅れる関係（（４）式）を、ビル速度とマス変位で表すと、ビル速度の符号反転が、マス変位の９０度だけ位相が進むことを意図している。

第３実施形態は、第３ゲイン乗算部２５がマス変位ｘ_２と可動マス３の目標変位との偏差Ｄ１２に制御ゲインＫｄ３を乗じた信号Ｓ３２を出力し、第４ゲイン乗算部２７がマス速度ｖ_２と可動マス３の目標速度との偏差Ｄ２２に制御ゲインＫｄ４２を乗じた信号Ｓ４２を出力する。第１ゲイン乗算部２１と第２ゲイン乗算部２３は第１実施形態と同じである。
第３実施形態は、第１ゲイン乗算部２１からの信号Ｓ１と、第２ゲイン乗算部２３からの信号Ｓ２、第３ゲイン乗算部２５からの信号Ｓ３２と、第４ゲイン乗算部２７からの信号Ｓ４２は全て合算される。全て合算された合算値が可動マス３に加える制御力ｆに対する制御指令Ｓとして、モータ４に与えられる。

［第４実施形態］
第４実施形態は、ビル２の水平方向の加速度を検出するビル加速度センサ１４を備える。
また、第４実施形態は、αが、可動マス３の目標速度振幅値をビル２の加速度波形の振幅（以下、加速度振幅）で除した値となるので、逐次検出されるビル２の加速度振幅に応じて変化する値となる。
第４実施形態は、図６に示すように、上記（ｄ）で与えられる可変ゲイン（可動マス３の変位ｘ_２の一階微分）を一回積分した値を可動マス３の目標変位として与える。

第４実施形態は、第３ゲイン乗算部２５がマス変位ｘ_２と可動マス３の目標変位との偏差Ｄ１３に制御ゲインＫｄ３３を乗じた信号Ｓ３３を出力し、第４ゲイン乗算部２７がマス速度ｖ_２と可動マス３の目標速度との偏差Ｄ２３に制御ゲインＫｄ４３を乗じた信号Ｓ４３を出力する。第１ゲイン乗算部２１からの信号Ｓ１と、第２ゲイン乗算部２３からの信号Ｓ２、第３ゲイン乗算部２５からの信号Ｓ３３と、第４ゲイン乗算部２７からの信号Ｓ４３は全て合算される。全て合算された合算値が可動マス３に加える制御力ｆに対する制御指令Ｓとして、モータ４に与えられる。

以上、第２実施形態〜第４実施形態を説明したように、可動マス３の目標値は、変位及び速度のいずれか一方に与えれば足りる。このことは、用いるセンサの種類に問わず、本発明による制御手法が適用できることを意味し、新たにセンサを追加することや、再設置することによるコストの増加を抑えることができる。
もっとも、制振効果をより確実に得るためには、第１実施形態のように、変位及び速度の両方に目標値を与えることが好ましい。
なお、第１〜第４実施形態において、設置するセンサから微分、積分等の演算を用いる場合には、その演算による影響が少なくなる組み合わせを選択することが望ましい。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
例えば、上記実施形態では位相の遅れを最も好ましい９０度の例を示したが、本発明はこれに限定されない。位相の遅れが０度を越え180度未満までは減衰に寄与するので、本発明はこの範囲で位相遅れの角度を選択できる。ただし、最も好ましい９０度からはなれるにつれて減衰の性能が劣化するので、位相の遅れは、９０度を中心にして、±２０度の範囲とするのが好ましく、±１０度の範囲とするのがより好ましく、±５度の範囲とするのがさらに好ましい。

１ 地面
２ ビル
３ 可動マス
４ モータ
１０ 制振装置
２０ 制御器
１１ ビル変位センサ
１３ ビル速度センサ
１４ ビル加速度センサ
１５ マス変位センサ
１７ マス速度センサ
２１ 第１ゲイン乗算部
２３ 第２ゲイン乗算部
２５ 第３ゲイン乗算部
２７ 第４ゲイン乗算部

Claims (6)

1. 制振対象となる構造物の揺れに応じて前記構造物に設けた可動マスをアクチュエータにより駆動することにより前記構造物の揺れを減衰させる制振装置であって、
   前記構造物の変位、前記構造物の速度及び前記構造物の加速度の少なくとも一つを検出する第１検出手段と、
   前記可動マスの変位及び前記可動マスの速度の少なくとも一方を検出する第２検出手段と、
   前記可動マスの目標変位と前記第２検出手段で検出された前記可動マスの変位との変位偏差、及び、前記可動マスの目標速度と前記第２検出手段で検出された前記可動マスの速度との速度偏差の少なくとも一方を求め、
   前記変位偏差、及び、前記速度偏差の少なくとも一方に基づいて、前記アクチュエータに前記可動マスを駆動させる制御指令を生成する制御部と、を備え、
   前記目標変位、及び、前記目標速度は、前記可動マスの振幅が一定で、かつ、前記構造物の揺れに対して、減衰に働くように位相が設定されることを特徴とする、
   制振装置。
2. 前記目標変位、及び、前記目標速度は、
   前記可動マスの許容ストローク範囲内において一定の振幅で駆動させるマス加速度振幅目標値Ａ_refを、前記構造物の速度波形の振幅Ａ_ｂで除して得られる減衰項αを、
   前記第１検出手段で検出された前記構造物のビル速度ｖ_１に、乗じて得られる結果に基づいて設定される、
   請求項１に記載の制振装置。
3. 前記目標変位、及び、前記目標速度は、
   前記可動マスの許容ストローク範囲内において一定の振幅で駆動させるマス速度振幅目標値Ａ_refを、前記構造物の変位波形の振幅Ａ_ｂで除して得られる減衰項αを、
   前記第１検出手段で検出された前記構造物のビル変位ｘ_１に、乗じて得られる結果に基づいて設定される、
   請求項１に記載の制振装置。
4. 前記目標変位、及び、前記目標速度は、
   前記可動マスの許容ストローク範囲内において一定の振幅で駆動させるマス変位目標値Ａ_refを、前記構造物の速度波形の振幅Ａ_ｂで除して得られる減衰項αを、
   前記第１検出手段で検出された前記構造物のビル速度ｖ_１に、乗じて得られる結果に基づいて設定される、
   請求項１に記載の制振装置。
5. 前記目標変位、及び、前記目標速度は、
   前記可動マスの許容ストローク範囲内において一定の振幅で駆動させるマス速度目標値Ａ_refを、前記構造物の速度波形の振幅Ａ_ｂで除して得られる減衰項αを、
   前記第１検出手段で検出された前記構造物の加速度ａ_１に、乗じて得られる結果に基づいて設定される、
   請求項１に記載の制振装置。
6. 前記制御部は、
   前記目標変位、及び、前記目標速度を、前記構造物の揺れに対して位相が９０度だけ遅れるように設定する、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の制振装置。