JP6480848B2 - 振動制御装置および振動制御方法ならびに振動制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、工業製品に使用環境下と同様のランダム振動を実験室内で与えることにより、工業製品の耐振性及び耐久性を評価するランダム振動試験を行うための振動制御装置および振動制御方法ならびに振動制御プログラムに関する。

従来のランダム振動制御装置では、制御目標として専ら、加速度平均パワースペクトル密度（ＰＳＤ：Power Spectrum Density）、二乗平均平方根（ＲＭＳ：Root Mean Square）が用いられている。
具体的には、試験に供する被試験ＰＳＤプロファイルの目標平均ＰＳＤと、振動試験装置の応答信号より得られる応答平均ＰＳＤとの比較により、目標平均ＰＳＤと応答平均ＰＳＤが一致するように制御を行う。

図１２に基づいて、瞬時ＰＳＤと平均ＰＳＤについて説明する。
まず、長時間にわたる時系列信号から、フーリエ変換の処理単位に相当する一定時間区切りのフレーム単位に切り出した時系列信号をフーリエ変換することにより、フレーム単位のフーリエスペクトルを計算する。時系列信号から周波数系列信号への変換にはフーリエ変換が用いられるのが一般的であるが、ここでは、フーリエ変換を高速で行う高速フーリエ変換（ＦＦＴ変換）を用いることとして説明をする。

次いで、前記フーリエ変換で計算されたフーリエ係数から下記式（４）を用いて瞬時ＰＳＤを求め、下記式（５）から二乗平均平方根（ＲＭＳ）を求める。

なお、上記式（４）において、Ｎは所要周波数範囲の分割個数である。

このとき、各瞬時ＰＳＤを瞬時ＰＳＤ＿０（ｆ），瞬時ＰＳＤ＿１（ｆ），・・・，瞬時ＰＳＤ＿ｉ（ｆ）と表し、これら瞬時ＰＳＤ＿０（ｆ）〜瞬時ＰＳＤ＿ｉ（ｆ）を時間平均したものが平均ＰＳＤ（ｆ）である。

図１３に基づいて、従来の振動制御装置１００の構成と動作について説明する。
まず、振動試験装置１５０からの応答時系列信号Ｒｔが、ＡＤ変換部１０７によりデジタル信号に変換される。なお、振動試験装置１５０は、被試験体に振動を与え、この被試験体からの応答信号を計測する応答検出器（図示せず）を有している。

デジタル信号に変換された応答時系列信号ＲｔをＦＦＴ変換部１０８においてフーリエ変換することにより瞬時ＰＳＤを計算し、瞬時ＰＳＤを所定時間における時間平均化処理することにより平均ＰＳＤを生成する。

そして、ＰＳＤ比較部１０１において、被試験ＰＳＤプロファイルから得た目標ＰＳＤと、平均ＰＳＤとを比較することによって、ＰＳＤ補正操作量を生成する。
次いで、目標ＰＳＤとＰＳＤ補正操作量とから修正ＰＳＤを生成し、振動試験装置の伝達特性の振幅特性に基づき逆振幅特性乗算処理部１０２において逆振幅特性乗算処理を施し、駆動ＰＳＤを生成する。

また、フーリエ逆変換部１０３において、乱数生成手段１０４で生成された白色ランダム信号を駆動ＰＳＤで正規化するとともに、フーリエ逆変換処理により時系列波形に変換、展開し、駆動波形合成手段１０５により時系列波形の重ね合わせ合成処理を行い、ＤＡ変換部１０６によって、振動試験装置１５０へ入力するアナログ信号である駆動時系列信号Ｄｔが生成される。

一般的に、振動制御装置では、振動試験装置の破損防止や安全性確保のため、駆動時系列信号により振動試験装置に与えられる変位が加振限界領域を超えると、自動的に停止し、試験が終了してしまうため、出来る限り安全許容内でのプロファイルで試験条件を設定することが必要とされる。

通常の加速度振動試験においては、加振周波数範囲の被試験プロファイルとしてのＰＳＤプロファイルと上記式（５）で示されるＲＭＳとが与えられ、加速度時系列信号の確率密度分布は、ＲＭＳの２乗が分散σ²の正規分布となることが必要となる。

ランダム信号は確率統計的に生成される信号である。そのため、このような確率密度分布を有する加速度時系列信号は、振動試験装置の許容範囲を超えた信号を含んでいることが予測される。

例え、確率統計的には稀な現象であったとしても、振動試験装置の許容範囲を超えた信号が発生すると、振動試験装置に損傷を与える恐れがあるため、通常は変位センサーが振動試験装置の許容範囲の変位を超えた場合に異常を検出して、振動試験を自動停止させる機能が働くため、試験目的は完遂されない。このため、許容範囲外の加速度信号を除去するためにクリッピングと呼ばれる手法が用いられている。

クリッピングは、加速度ランダム時系列を分散の平方根であるσに適正倍率（クリッピング倍率）を乗じた値で規制して、過剰な加速度信号が発生しないように操作する処理である。クリッピング倍率が適正に設定されるならば、確率統計的には稀に発生する過剰加速度だけが抑制されるので、全体の加速度平均スペクトルには大きな影響を与えない。多くは３．０から５．０の倍率値が用いられている。

クリッピング処理は、ランダム加速度振動試験において過剰な加速度信号の発生を直接抑止することが目的として使われるとともに、振動信号の振動物理範囲（変位）を抑止する効果を期待して用いられている。

図１４は、σクリッピングの有無による加速度振幅の確率分布の違いを表すグラフ、図１５は、σクリッピングの有無による変位振幅の確率分布の違いを表すグラフである。図１４に示すσクリッピングによって加速度を抑制したとしても、図１５に示すように変位の抑制はほとんど出来ていない。即ち、クリッピングによる顕著な変位抑制効果は観測されない。

このように、加速度信号に対するσクリッピングは、加振力を抑制する手法としては有効であるが、変位（振動物理範囲）を抑制する手法としては、極めて限定的な効果しか発揮しない。

さらに、従来の振動制御装置においては、応答時系列信号はＦＦＴ処理によりフーリエスペクトルに変換されるが、その後すぐに瞬間ＰＳＤへと変換され、さらに瞬間ＰＳＤの時間平均としての応答平均ＰＳＤが計算されることになる。このとき、目標平均ＰＳＤとの比較において振動制御が行われるが、振動制御における重要な情報である位相成分は無視されていた。さらに、加速度信号からもたらされる振動信号の振動物理範囲（変位）は振動試験装置に係る重要な限界物理量であるにも関わらず制御の対象外となっていた。

また、ランダム振動試験において直接生成されるのは加速度ランダム信号であり、それに基づく変位信号は、ランダム加速度の無限二階積分となることから、誤差蓄積を免れず、理論的に特定することが困難であった。

また、振動試験装置に変位ドリフトを抑制・防止するための機構が設けられている場合、振動試験装置において発生する変位は、その機構の影響も受けてしまうことになる。

もし、ＰＳＤプロファイルに基づいて生成されるランダム加速度信号が所定のＰＳＤプロファイルとＲＭＳ値とを維持しつつ、変位を抑制できれば、振動試験装置の適用範囲を拡大することが可能となる。

このように変位抑制を行う方法としては、従来、被試験ＰＳＤプロファイルから予め最大変位を推定し、許容性能範囲を超えている場合には、被試験ＰＳＤプロファイルの修正をするような予防的対策や、上述するようなクリッピングなどにより過大加速度信号のカットなどが用いられている。

しかしながら、加速度に対するクリッピング方式は加速度ランダムに対して確率的な規制を発揮するものであり、変位自体を規制するものではなく、図１５に示すように、変位信号の抑制効果としては限定的なものであった。

本発明では、このような現状に鑑み、出力される加振信号の収束性が高く、測定基準の規定エネルギーに厳密に従い、かつ、振動試験中の加振装置や被試験体の特性変化にも追従し、変位範囲を設定された範囲内に収めることができる振動制御装置および振動制御方法ならびに振動制御プログラムを提供することを目的とする。

本発明は、前述するような加速度ランダム振動試験に関する従来技術における課題を解決するために発明されたものであって、本発明の振動制御装置は、
被試験体に振動を与える振動試験装置の振動を制御するための振動制御装置であって、
前記振動試験装置において発生させるランダム振動のスペクトル分布である被試験ＰＳＤ（Power Spectrum Density）プロファイルが入力され、該被試験ＰＳＤプロファイルから加速度ランダムな目標時系列信号Ｔｔを生成するとともに、該目標時系列信号Ｔｔから目標周波数系列信号Ｔｆを生成する目標信号生成手段と、
目標周波数系列信号Ｔｆと、応答周波数系列信号Ｒｆと、駆動周波数系列信号Ｄｆと、から駆動時系列信号Ｄｔを生成する駆動信号生成手段と、を備え、
前記駆動信号生成手段が、
前記目標周波数系列信号Ｔｆと、前記振動試験装置の応答時系列信号Ｒｔの周波数スペクトルである応答周波数系列信号Ｒｆとから、補正目標周波数系列信号Ｔｃを生成し、前記応答周波数系列信号Ｒｆと前記駆動時系列信号Ｄｔの周波数スペクトルである駆動周波数系列信号Ｄｆとの比である伝達関数Ｇｆの逆特性である逆伝達関数ＩＧｆと、前記補正目標周波数系列信号Ｔｃとから、前記駆動時系列信号Ｄｔを生成する駆動信号補正手段をさらに備え、
前記目標信号生成手段が、
前記目標時系列信号Ｔｔに対する変位信号を常に生成するとともに、前記変位信号が変位領域の設定限界値を超えたか否かを常に判定することで、該設定限界値を超えずに、かつ、時系列の確率密度の正規分布性、目標ＰＳＤプロファイル、ＲＭＳ値を一定に維持し続ける加速度ランダム信号を生成する加速度ランダム信号生成部をさらに含み、
前記加速度ランダム信号生成部は、前記変位信号が前記設定限界値を超えた場合には、生成された加速度ランダム信号を破棄し、前記変位信号が前記設定限界値に収まった場合には、生成された加速度ランダム信号を目標時系列信号Ｔｔとして、前記目標周波数系列信号Ｔｆを生成することを特徴とする。

この場合、前記駆動信号生成手段が、
前記目標周波数系列信号Ｔｆと、前記応答周波数系列信号Ｒｆと、前記駆動周波数系列信号Ｄｆと、から、駆動信号Ｄｒを生成する周波数系列信号処理部と、
前記駆動信号Ｄｒから、前記駆動時系列信号Ｄｔを生成する時系列信号への再変換処理部と、を含むことが好ましい。

また、本発明の振動制御方法は、
被試験体に振動を与える振動試験装置の振動を制御するための振動制御方法であって、
前記振動試験装置において発生させるランダム振動のスペクトル分布である被試験ＰＳＤ（Power Spectrum Density）プロファイルから、加速度ランダムな目標時系列信号Ｔｔを生成するとともに、該目標時系列信号Ｔｔから目標周波数系列信号Ｔｆを生成し、
前記目標周波数系列信号Ｔｆと、前記振動試験装置の応答時系列信号Ｒｔの周波数スペクトルである応答周波数系列信号Ｒｆとから、補正目標周波数系列信号Ｔｃを生成し、前記応答周波数系列信号Ｒｆと駆動時系列信号Ｄｔの周波数スペクトルである駆動周波数系列信号Ｄｆとの比である伝達関数Ｇｆの逆特性である逆伝達関数ＩＧｆと、前記補正目標周波数系列信号Ｔｃとから、前記駆動時系列信号Ｄｔを生成するとともに、
前記目標時系列信号Ｔｔに対する変位信号を常に生成するとともに、前記変位信号が変位領域の設定限界値を超えたか否かを常に判定して、該設定限界値を超えずに、かつ、時系列の確率密度の正規分布性、目標ＰＳＤプロファイル、ＲＭＳ値を一定に維持し続ける加速度ランダム信号を生成し、
前記加速度ランダム信号の生成に際して、前記変位信号が前記設定限界値を超えた場合には、生成された加速度ランダム信号を破棄し、前記変位信号が前記設定限界値に収まった場合には、生成された加速度ランダム信号を目標時系列信号Ｔｔとして、前記目標周波数系列信号Ｔｆを生成することを特徴とする。

この場合、前記目標周波数系列信号Ｔｆと、前記応答周波数系列信号Ｒｆと、前記駆動周波数系列信号Ｄｆと、から、駆動信号Ｄｒを生成するとともに、
前記駆動信号Ｄｒから、前記駆動時系列信号Ｄｔを生成することが好ましい。

また、本発明の振動制御プログラムは、
被試験体に振動を与える振動試験装置の振動を制御するための振動制御プログラムであって、
前記振動試験装置において発生させるランダム振動のスペクトル分布である被試験ＰＳＤ（Power Spectrum Density）プロファイルから、加速度ランダムな目標時系列信号Ｔｔを生成するとともに、前記目標時系列信号Ｔｔに対する変位信号を常に生成するとともに、前記変位信号が変位領域の設定限界値を超えたか否かを常に判定して、該設定限界値を超えずに、かつ、時系列の確率密度の正規分布性、目標ＰＳＤプロファイル、ＲＭＳ値を一定に維持し続ける加速度ランダム信号を生成し、前記加速度ランダム信号を前記目標時系列信号Ｔｔとして、目標周波数系列信号Ｔｆを生成する目標信号生成手順と、
目標周波数系列信号Ｔｆと、応答周波数系列信号Ｒｆと、駆動周波数系列信号Ｄｆと、から駆動時系列信号Ｄｔを生成する駆動信号生成手順と、をコンピュータに実行させるための振動制御プログラムであって、
前記駆動信号生成手順は、
前記目標周波数系列信号Ｔｆと、前記振動試験装置の応答時系列信号Ｒｔの周波数スペクトルである応答周波数系列信号Ｒｆから、補正目標周波数系列信号Ｔｃを生成し、前記応答周波数系列信号Ｒｆと前記駆動時系列信号Ｄｔの周波数スペクトルである駆動周波数系列信号Ｄｆとの比である伝達関数Ｇｆの逆特性である逆伝達関数ＩＧｆと、前記補正目標周波数系列信号Ｔｃとから、前記駆動時系列信号Ｄｔを生成する駆動信号補正手順を含み、
前記目標信号生成手順において、前記変位信号が前記設定限界値を超えた場合には、生成された加速度ランダム信号を破棄し、前記変位信号が前記設定限界値に収まった場合には、生成された加速度ランダム信号を目標時系列信号Ｔｔとして、前記目標周波数系列信号Ｔｆを生成することを特徴とする。

この場合、前記駆動信号生成手順が、
前記目標周波数系列信号Ｔｆと、前記応答周波数系列信号Ｒｆと、前記駆動周波数系列信号Ｄｆと、から、駆動信号Ｄｒを生成する周波数系列信号処理手順と、
前記駆動信号Ｄｒから、前記駆動時系列信号Ｄｔを生成する再変換処理手順と、を含むことが好ましい。

本発明によれば、目標周波数系列信号と応答周波数系列信号とが一致するように、駆動周波数系列信号を補正することで、振動試験装置の加速度頻度分布を抑制することなく、変位頻度分布のみを抑制でき、振動試験装置の振動物理範囲（変位）を超えずに安定かつ連続的な振動試験を行うことができる。

図１は、本発明の一実施例における振動制御装置の制御系を説明するための制御プロセス図である。 図２は、被試験ＰＳＤプロファイルの一例を示すグラフである。 図３は、ランダム信号生成部及び目標時系列信号生成部において、被試験ＰＳＤプロファイルからピュアランダム信号を生成する流れを説明するためのフロー図である。 図４は、フーリエスペクトル成分と複素平面の偏角θの関係を示すグラフである。 図５は、ピュアランダム時系列信号の一例を示すグラフである。 図６は、変位抑止された加速度ランダム信号を生成する流れを説明するためのフロー図である。 図７は、ＲＭＳ＝１２．５ｍ／sec²で加速度ランダム試験を実行した際のＰＳＤプロファイルと、応答信号の平均ＰＳＤとを示すグラフである。 図８は、周波数系列信号処理部の構成を説明するための処理ブロック図である。 図９は、時系列信号への再変換処理部の構成を説明するための処理ブロック図である。 図１０は、本実施例の振動制御装置を用いて振動試験を行った際の加速度振幅の確率分布を示すグラフである。 図１１は、本実施例の振動制御装置を用いて振動試験を行った際の変位振幅の確率分布を示すグラフであり、本実施例により35％もの変位抑止効果が確認された。 図１２は、瞬時ＰＳＤと平均ＰＳＤについて説明するための概念図である。 図１３は、従来の振動制御装置の構成と動作を説明するための制御プロセス図である。 図１４は、クリッピングの有無による加速度振幅の確率分布の違いを表すグラフ。 図１５は、クリッピングの有無による変位振幅の確率分布の違いを表すグラフである。

以下、本発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいてより詳細に説明する。
図１は、本実施例における振動制御装置１０の制御系を説明するための制御プロセス図である。

図１に示すように、振動制御装置１０は、ランダム信号生成部１２と、目標時系列信号生成部１４と、目標スペクトル生成部１６と、応答スペクトル生成部１８と、駆動スペクトル生成部２０と、周波数系列信号処理部２２と、時系列信号への再変換処理部２４と、ＤＡ変換部２６と、ＡＤ変換部２８と、を備えている。

また、振動制御装置１０は、ＤＡ変換部２６及びＡＤ変換部２８を介して、被試験体に振動を与える振動試験装置５０と接続されている。なお、振動試験装置５０は、パワー増幅器及び応答検出器（図示せず）を含んでおり、ＤＡ変換部２６から出力される加振信号がパワー増幅器を介して振動試験装置に入力されて、振動試験装置は加振信号に基づいて振動を発生させる。そして、その振動に応じて得られる被試験体からの応答振動を、応答検出器によって検出し、応答アナログ信号としてＡＤ変換部２８へ入力する。

以下、各プロセスについて各々説明する。
（１）ランダム信号生成部１２〜目標時系列信号生成部１４
ランダム信号生成部１２には、例えば、図２に示すような、振動試験装置５０において発生させる振動のスペクトル分布である被試験ＰＳＤプロファイルが入力される。本実施例の振動制御装置１０は、この被試験入力プロファイルに基づいて、加振信号を生成する。

ランダム信号生成部１２では、フレーム毎に、被試験ＰＳＤプロファイルを持つランダム信号を生成し、これを順次繰り返すことにより、被試験ＰＳＤプロファイルが持続するランダム時系列信号が生成される。

なお、ランダム時系列信号が、完全な白色雑音であるための必要条件は、時間領域での出現頻度が一様ランダムで、かつ、周波数領域での振幅分布がランダムで、かつ、周波数領域での位相分布が一様ランダムであることである。

本実施例のように、図２で示す被試験ＰＳＤプロファイルで定義されたランダム振動試験では、周波数領域での振幅分布が被試験ＰＳＤプロファイルに置き換えられ、時間領域での出現頻度がランダムで尚且つ周波数領域での位相分布がランダムであるランダム信号が生成されることになる。

図３は、ランダム信号生成部１２及び目標時系列信号生成部１４において、被試験ＰＳＤプロファイルからピュアランダム信号を生成する流れを説明するためのフロー図である。
まず、被試験ＰＳＤプロファイルから位相がランダムなフーリエスペクトルを生成する。

時系列信号ｆ（ｔ）と、そのフーリエ変換関数Ｆ（ω）は、下記式（１）で示す関係を有する。

上記式（１）において、ｎ＝・・・，−３，−２，−１，０，１，２，３，・・・である。

また、離散的フーリエ変換であるＦＦＴ処理後の関数における実数成分ａと虚数成分ｂは、下記式（２）、（３）で示す関係を有する。

とすれば、

また、フーリエスペクトルの絶対値は式（３）、（４）を用いて、下記式（６）のように表すことができる。

なお、上記式（４）において、Ｎは所要周波数範囲の分割個数である。

この絶対値を基準として、フーリエスペクトルの偏角をθとした時、ＰＳＤ［ｎ］を示すフーリエスペクトル成分は、下記式（７）と表すことができる。

すなわち、フーリエスペクトル成分と複素平面の偏角θの関係は、図４に示すようになる。
ＰＳＤは、図４に示す絶対値（ＰＳＤ値）により決定されるが、位相値であるθには自由度が存在するため、位相値θをランダムに変動させることで、ＰＳＤ分布が閉架しないランダム位相フーリエスペクトルを生成することができる。

ランダム位相フーリエスペクトルを逆ＦＦＴ変換することで、位相がバラバラな正弦波が重なり合った、被試験ＰＳＤプロファイルのスペクトル分布を有する正規分布ランダム時系列信号が生成される。

しかしながら、デジタル信号処理で使われる逆ＦＦＴ変換は離散的な処理であるため、全ての周波数成分を漏れなく含むわけではなく、フレーム位相が不規則に変化することによって欠落した周波数成分が埋め合わされる効果がある。

それでも、ある程度の周波数成分は欠落してしまうため、正規分布ランダム時系列信号は擬似ランダム信号と呼ばれる。そこで、擬似ランダム信号からピュアランダム信号を生成するために、次の処理を施す。

まず、擬似ランダム信号のフレーム毎の時系列信号に、ハン窓（Hann WindowまたはHanning Window）を適用する。
そして、ハン窓が適用されたランダム時系列信号を１／２フレーム分ずつオーバーラップ合成処理する。

ハン窓を適用する処理と、１／２フレーム分ずつオーバーラップ合成処理とにより、時系列が混ぜ合わさり、図５に示すような、被試験ＰＳＤプロファイルを維持したピュアランダム時系列信号が生成される。

目標時系列信号生成部１４は、ピュアランダム信号を目標時系列信号として、目標スペクトル生成部１６に送り出す。

（２）目標スペクトル生成部１６
目標スペクトル生成部では、目標時系列信号をＦＦＴ処理することにより、目標瞬時フーリエスペクトル、目標瞬時ＰＳＤ、目標平均ＰＳＤが求められ、これら全ての情報を有する目標周波数系列信号を生成する。

ａ_n＋ｉｂ_nは位相成分を含み、また、フレーム毎に求められるものであるため、これを瞬時フーリエスペクトルと呼ぶ。また、瞬時フーリエスペクトルから上記式（４）に基づいて瞬時ＰＳＤが算出され、瞬時ＰＳＤに対する時間平均を取ることで平均ＰＳＤが算出される。

すなわち、目標スペクトル生成部１６では、目標時系列信号Ｔｔが入力されることにより、式（１）〜（７）に基づき、目標瞬時フーリエスペクトル、目標瞬時ＰＳＤ、目標平均ＰＳＤが算出され、これら全ての情報を有する目標周波数系列信号Ｔｆが生成される。

以上の方法で生成された目標加速度ランダムの変位越えは、確率統計的にも稀にしか発生しない。しかし、実際の装置を用いた加振試験においては、一回でも変位越えが発生すると機械に損傷を与える恐れが生じるため、その時点で試験を停止せざるを得なくなる。このため、変位越えが発生しない加速度ランダムな目標時系列信号Ｔｔを生成し続けるための目標信号生成手段は、下記の処理を行う加速度ランダム信号生成部をさらに設けることもできる。

図６は、変位抑止された加速度ランダム目標信号を生成する流れを説明するためのフロー図である。
加速度ランダム信号は、まず、フレーム毎に生成され、順次接続され周期的繰り返しの無い連続信号となる。

ここでは、フレームｉが生成された次の段階として、変位越えが発生しないフレームｉ＋１の加速度ランダム信号の生成について説明する。
フレームｉ＋１の加速度ランダム信号は、上述するランダム信号生成部１２〜目標時系列信号生成部１４において生成される。

同時に、フレームｉの最終変位データを初期値として数値２階積分を行い正確な変位予測を行う。もし、この仮定での変位予測が予め設定された変位許容範囲を超えたならば、フレームｉ＋１の加速度ランダム信号を破棄して、再度同じ手順で加速度ランダム信号を生成し、同様の変位予測を行う。

変位予測値が予め設定された許容範囲に収まったならば、ここで生成された加速度ランダムのフレームデータをフレームｉ＋１として採用する。この処理により所望の変位抑制がなされた加速度ランダム信号の生成がおこなわれる。

もし、求められる変位抑止量が４０％を超えると、上述する方法を数回連続で試みても変位を抑止できない場合が発生する。この場合には、５Ｈｚ以下の低周波数領域のＰＳＤ値を適宜下げることにより変位の抑止を行うことができる。現実的にこのようなケースは大きな抑止量を設定した場合で稀にしか発生せず、平均ＰＳＤに大きな影響を与えるものではない。

このようにして得られた加速度ランダム信号を、次の元データとして順次処理を進める事により、変位抑止された加速度ランダム信号を連続的に生成することができる。

以上の変位抑止アルゴリズムにより、ＰＳＤプロファイルで規定された加速度ランダム加振における、以下の成立条件を満たしつつ、実際の変位範囲を抑止することが可能となる。

このようにして生成された変位抑止の加速度ランダム目標信号は、図７に示すように、
（Ａ）計測された応答信号の平均ＰＳＤが指定されたＰＳＤプロファイルと一致する。
（Ｂ）ＲＭＳ値が指定された値と一致する。
（Ｃ）加速度時系列の確率密度分布が正規分布となる。
（Ｄ）同じ信号の繰り返しが存在しない。
という加速度ランダム加振信号に求められる基本要件を完全に満たしている。
図１１に示される通り、本実施例の振動制御装置を用いて加速度振動試験を行った結果では３５％もの変位抑止効果が確認された。

（３）周波数系列信号処理部２２
図８は、周波数系列信号処理部２２の構成を説明するための処理ブロック図である。
図８に示すように、周波数系列信号処理部２２は、目標平均ＰＳＤと応答平均ＰＳＤとを比較する平均ＰＳＤ比較部２２１と、目標瞬時ＰＳＤを補正して補正目標周波数系列信号Ｔｃを生成するスペクトル補正制御部２２２と、補正目標周波数系列信号Ｔｃに逆伝達関数ＩＧｆを乗算することで駆動信号Ｄｒを生成する逆伝達関数乗算部２２３と、応答周波数系列信号Ｒｆと駆動周波数系列信号Ｄｆの比である伝達関数Ｇｆを算出する伝達関数計算部２２４と、伝達関数Ｇｆの逆特性である逆伝達関数ＩＧｆを算出する逆伝達関数計算部２２５と、を備えている。

（４）駆動周波数信号生成部
平均ＰＳＤ比較部２２１には、目標周波数系列信号Ｔｆと応答周波数系列信号Ｒｆが入力されることで、目標平均ＰＳＤと応答平均ＰＳＤとが比較され、それらの誤差である平均ＰＳＤ補正ベクターＴＣｖがフレーム毎に計算される。そして、目標周波数系列信号Ｔｆの目標瞬時ＰＳＤに対する補正量として、スペクトル補正制御部２２２へと送られる。

スペクトル補正制御部２２２では、目標周波数系列信号Ｔｆの目標瞬時ＰＳＤに平均ＰＳＤ補正ベクターＴＣｖを加算することで、フレーム毎に目標瞬時ＰＳＤが補正された補正目標周波数系列信号Ｔｃが生成される。

このように構成することにより、スペクトル補正制御部２２２は、位相成分の補正を行ってはいないが、目標瞬時ＰＳＤの振幅補正として振動試験装置の特性変動に対して機敏な制御動作を行うことになる。

また、伝達関数計算部２２４では、応答周波数系列信号Ｒｆと駆動周波数系列信号Ｄｆの比である伝達関数Ｇｆとその平均値を常時算出している。そして、伝達関数Ｇｆの変化が所定量を超えた場合、最新の伝達関数Ｇｆが逆伝達関数計算部２２５へと送られる。

逆伝達関数計算部２２５では、入力された伝達関数Ｇｆに基づき、逆伝達関数ＩＧｆが計算され、逆伝達関数乗算部２２３へと送られ、上述するように、補正目標周波数系列信号Ｔｃに対して逆伝達関数ＩＧｆが乗算され、駆動のためのフーリエスペクトル信号である駆動信号Ｄｒが生成される。

（５）駆動時系列信号への再変換処理部２４
図９は、時系列信号への再変換処理部２４の構成を説明するための処理ブロック図である。
時系列信号への再変換処理部２４では、ＩＦＦＴ変換部２４１において、駆動信号ＤｒをＩＦＦＴ変換処理により周波数系列信号から時系列信号に復号化する。そして、復号化された時系列信号は、フレーム間が不連続であるため、オーバーラップ処理部２４２において、オーバーラップ合成処理を施すことにより、連続的な一次駆動時系列信号Ｄｔｃを生成する。

時系列信号への再変換処理部２４の制御サイクルは、ＩＦＦＴ変換処理とオーバーラップ合成処理を除いて、制御サンプリングクロック（例えば、制御帯域２ｋＨｚの場合５．１２×１０³sample/s）に同期して動作する。

ＩＦＦＴ変換処理とオーバーラップ合成処理の演算は、時系列信号への再変換処理部２４の動作のバックグラウンドにおいて処理され、この演算は１フレームの処理時間内に完了する。
そして、生成された駆動時系列信号Ｄｔは、バッファーに蓄積され、次の制御サイクルにおいて使用される。

周波数系列での信号演算では常に、論理的に求められる適正長（１フレーム）の時系列信号に対して一括してＦＦＴ演算処理が行われる。このため、周波数系列で演算された結果をＩＦＦＴ変換処理した時系列信号では、フレーム間が不連続となってしまう。

時系列信号は、通常、連続的であることを前提として制御演算が行われるため、フレーム間の不連続を解消し、周波数系列での信号演算で得られた時系列信号が連続性を保つようにオーバーラップ合成処理を行う。なお、本実施例では、１／２フレーム毎のオーバーラップ合成処理を行っている。

また、目標・応答時系列信号比較部２４４では、目標時系列信号Ｔｔと応答時系列信号Ｒｔとを比較し、例えば、ＰＩＤ制御などに基づき、時系列信号補正量Ｄｃを生成する。

時系列信号補正部２４３では、一次駆動時系列信号Ｄｔｃと時系列信号補正量Ｄｃとに基づき補正処理が行われ、補正された一次駆動時系列信号Ｄｔｃは、駆動時系列信号Ｄｔとして、図１に示すように、ＤＡ変換部２６を介して振動試験装置５０へ出力される。

以上、このように構成された本実施例の振動制御装置１０は、被試験ＰＳＤプロファイルが入力されることにより、ランダム信号生成部１２、目標時系列信号生成部１４、目標スペクトル生成部１６を含む目標信号生成手段により、変位抑止の目的にかなった目標周波数系列信号Ｔｆが生成される。

次いで、周波数系列信号処理部２２、時系列信号への再変換処理部２４を含む駆動信号生成手段によりランダム時系列信号である駆動時系列信号Ｄｔが生成される。
また、周波数系列信号処理部２２を含む駆動信号補正手段により、目標周波数系列信号Ｔｆと、振動試験装置５０の応答検出器により検出された応答時系列信号Ｒｔから生成される応答スペクトルである応答周波数系列信号Ｒｆとが一致するように、駆動時系列信号Ｄｔから生成される駆動スペクトルである駆動周波数系列信号Ｄｆを補正することによって、新たな駆動信号Ｄｒが生成され、この駆動信号Ｄｒから駆動時系列信号生成手段において、新たな駆動時系列信号Ｄｔが生成される。

このようなフィードバック制御を行うことによって、振動試験装置５０における変位を抑制することができる。

（６）応答スペクトル生成部１８
振動試験装置から入力される応答アナログ信号は、ＡＤ変換部により応答時系列信号Ｒｔに変換され、応答スペクトル生成部へ送られる。
応答スペクトル生成部では、応答時系列信号Ｒｔが入力されることにより、上記式（１）〜（６）に基づき、応答瞬時フーリエスペクトル、応答瞬時ＰＳＤ、応答平均ＰＳＤが算出され、これら全ての情報を有する応答周波数系列信号Ｒｆが生成される。

（７）駆動スペクトル生成部２０
振動試験装置５０の駆動信号として生成された駆動時系列信号Ｄｔを、ＤＡ変換部により駆動アナログ信号に変換する前段で分岐し、駆動スペクトル生成部２０に入力する。
すなわち、駆動スペクトル生成部２０では、駆動時系列信号Ｄｔが入力されることにより、上記式（１）〜（７）に基づき、駆動瞬時フーリエスペクトル、駆動瞬時ＰＳＤ、駆動平均ＰＳＤが算出され、これら全ての情報を有する駆動周波数系列信号Ｄｆが生成される。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、上述した各処理部については、装置構成に応じて、ハードウェアでも、ソフトウェアでも構わず、コンピュータにおいて上述する処理内容を実行するプログラムとしてもよいなど、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本実施例の振動制御装置１０及び従来の振動制御装置を用いた振動試験を行った際の加速度振幅の確率分布と、変位振幅の確率分布を図１０、１１に示す。

従来の振動制御装置を用いた場合、振動試験装置５０に設けた変位計による計測では、振動試験装置５０の最大変位は±１１５ｍｍであった。

一方、本実施例の振動制御装置１０を用いた場合、振動試験装置５０に設けた変位計による計測では、振動試験装置５０の最大変位は±７５ｍｍに抑制することができ、１００時間以上の連続動作でも３５％の安定した変位抑止が確認された。

１０ 振動制御装置
１２ ランダム信号生成部
１４ 目標時系列信号生成部
１６ 目標スペクトル生成部
１８ 応答スペクトル生成部
２０ 駆動スペクトル生成部
２２ 周波数系列信号処理部
２２１ 平均ＰＳＤ比較部
２２２ スペクトル補正制御部
２２３ 逆伝達関数乗算部
２２４ 伝達関数計算部
２２５ 逆伝達関数計算部
２４ 時系列信号への再変換処理部
２４１ ＩＦＦＴ変換部
２４２ オーバーラップ処理部
２４３ 時系列信号補正部
２４４ 目標・応答時系列信号比較部
２６ ＤＡ変換部
２８ ＡＤ変換部
５０ 振動試験装置
１００ 振動制御装置
１０１ ＰＳＤ比較部
１０２ 逆振幅特性乗算処理部
１０３ フーリエ逆変換部
１０４ 乱数生成手段
１０５ 駆動波形合成手段
１０６ ＤＡ変換部
１０７ ＡＤ変換部
１０８ ＦＦＴ変換部
１５０ 振動試験装置

Claims (6)

1. 被試験体に振動を与える振動試験装置の振動を制御するための振動制御装置であって、
   前記振動試験装置において発生させるランダム振動のスペクトル分布である被試験ＰＳＤ（Power Spectrum Density）プロファイルが入力され、該被試験ＰＳＤプロファイルから加速度ランダムな目標時系列信号Ｔｔを生成するとともに、該目標時系列信号Ｔｔから目標周波数系列信号Ｔｆを生成する目標信号生成手段と、
   目標周波数系列信号Ｔｆと、応答周波数系列信号Ｒｆと、駆動周波数系列信号Ｄｆと、から駆動時系列信号Ｄｔを生成する駆動信号生成手段と、を備え、
   前記駆動信号生成手段が、
   前記目標周波数系列信号Ｔｆと、前記振動試験装置の応答時系列信号Ｒｔの周波数スペクトルである応答周波数系列信号Ｒｆとから、補正目標周波数系列信号Ｔｃを生成し、前記応答周波数系列信号Ｒｆと前記駆動時系列信号Ｄｔの周波数スペクトルである駆動周波数系列信号Ｄｆとの比である伝達関数Ｇｆの逆特性である逆伝達関数ＩＧｆと、前記補正目標周波数系列信号Ｔｃとから、前記駆動時系列信号Ｄｔを生成する駆動信号補正手段をさらに備え、
   前記目標信号生成手段が、
   前記目標時系列信号Ｔｔに対する変位信号を常に生成するとともに、前記変位信号が変位領域の設定限界値を超えたか否かを常に判定することで、該設定限界値を超えずに、かつ、時系列の確率密度の正規分布性、目標ＰＳＤプロファイル、ＲＭＳ値を一定に維持し続ける加速度ランダム信号を生成する加速度ランダム信号生成部をさらに含み、
   前記加速度ランダム信号生成部は、前記変位信号が前記設定限界値を超えた場合には、生成された加速度ランダム信号を破棄し、前記変位信号が前記設定限界値に収まった場合には、生成された加速度ランダム信号を目標時系列信号Ｔｔとして、前記目標周波数系列信号Ｔｆを生成することを特徴とする振動制御装置。
2. 前記駆動信号生成手段が、
   前記目標周波数系列信号Ｔｆと、前記応答周波数系列信号Ｒｆと、前記駆動周波数系列信号Ｄｆと、から、駆動信号Ｄｒを生成する周波数系列信号処理部と、
   前記駆動信号Ｄｒから、前記駆動時系列信号Ｄｔを生成する時系列信号への再変換処理部と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の振動制御装置。
3. 被試験体に振動を与える振動試験装置の振動を制御するための振動制御方法であって、
   前記振動試験装置において発生させるランダム振動のスペクトル分布である被試験ＰＳＤ（Power Spectrum Density）プロファイルから、加速度ランダムな目標時系列信号Ｔｔを生成するとともに、該目標時系列信号Ｔｔから目標周波数系列信号Ｔｆを生成し、
   前記目標周波数系列信号Ｔｆと、前記振動試験装置の応答時系列信号Ｒｔの周波数スペクトルである応答周波数系列信号Ｒｆとから、補正目標周波数系列信号Ｔｃを生成し、前記応答周波数系列信号Ｒｆと駆動時系列信号Ｄｔの周波数スペクトルである駆動周波数系列信号Ｄｆとの比である伝達関数Ｇｆの逆特性である逆伝達関数ＩＧｆと、前記補正目標周波数系列信号Ｔｃとから、前記駆動時系列信号Ｄｔを生成するとともに、
   前記目標時系列信号Ｔｔに対する変位信号を常に生成するとともに、前記変位信号が変位領域の設定限界値を超えたか否かを常に判定して、該設定限界値を超えずに、かつ、時系列の確率密度の正規分布性、目標ＰＳＤプロファイル、ＲＭＳ値を一定に維持し続ける加速度ランダム信号を生成し、
   前記加速度ランダム信号の生成に際して、前記変位信号が前記設定限界値を超えた場合には、生成された加速度ランダム信号を破棄し、前記変位信号が前記設定限界値に収まった場合には、生成された加速度ランダム信号を目標時系列信号Ｔｔとして、前記目標周波数系列信号Ｔｆを生成することを特徴とする振動制御方法。
4. 前記目標周波数系列信号Ｔｆと、前記応答周波数系列信号Ｒｆと、前記駆動周波数系列信号Ｄｆと、から、駆動信号Ｄｒを生成するとともに、
   前記駆動信号Ｄｒから、前記駆動時系列信号Ｄｔを生成することを特徴とする請求項３に記載の振動制御方法。
5. 被試験体に振動を与える振動試験装置の振動を制御するための振動制御プログラムであって、
   前記振動試験装置において発生させるランダム振動のスペクトル分布である被試験ＰＳＤ（Power Spectrum Density）プロファイルから、加速度ランダムな目標時系列信号Ｔｔを生成するとともに、前記目標時系列信号Ｔｔに対する変位信号を常に生成するとともに、前記変位信号が変位領域の設定限界値を超えたか否かを常に判定することで、該設定限界値を超えずに、かつ、時系列の確率密度の正規分布性、目標ＰＳＤプロファイル、ＲＭＳ値を一定に維持し続ける加速度ランダム信号を生成し、前記加速度ランダム信号を前記目標時系列信号Ｔｔとして、目標周波数系列信号Ｔｆを生成する目標信号生成手順と、
   目標周波数系列信号Ｔｆと、応答周波数系列信号Ｒｆと、駆動周波数系列信号Ｄｆと、から駆動時系列信号Ｄｔを生成する駆動信号生成手順と、をコンピュータに実行させるための振動制御プログラムであって、
   前記駆動信号生成手順は、
   前記目標周波数系列信号Ｔｆと、前記振動試験装置の応答時系列信号Ｒｔの周波数スペクトルである応答周波数系列信号Ｒｆとから、補正目標周波数系列信号Ｔｃを生成し、前記応答周波数系列信号Ｒｆと前記駆動時系列信号Ｄｔの周波数スペクトルである駆動周波数系列信号Ｄｆとの比である伝達関数Ｇｆの逆特性である逆伝達関数ＩＧｆと、前記補正目標周波数系列信号Ｔｃとから、前記駆動時系列信号Ｄｔを生成する駆動信号補正手順を含み、
   前記目標信号生成手順において、前記変位信号が前記設定限界値を超えた場合には、生成された加速度ランダム信号を破棄し、前記変位信号が前記設定限界値に収まった場合には、生成された加速度ランダム信号を目標時系列信号Ｔｔとして、前記目標周波数系列信号Ｔｆを生成する、ことを特徴とする振動制御プログラム。
6. 前記駆動信号生成手順が、
   前記目標周波数系列信号Ｔｆと、前記応答周波数系列信号Ｒｆと、前記駆動周波数系列信号Ｄｆと、から、駆動信号Ｄｒを生成する周波数系列信号処理手順と、
   前記駆動信号Ｄｒから、前記駆動時系列信号Ｄｔを生成する再変換処理手順と、を含むことを特徴とする請求項５に記載の振動制御プログラム。

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