JP7013597B2

JP7013597B2 - 振動制御装置

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Publication number: JP7013597B2
Application number: JP2021011262A
Authority: JP
Inventors: 和良上野; 佳門山内; 裕史中浦
Original assignee: IMV Corp
Current assignee: IMV Corp
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2022-02-15
Anticipated expiration: 2039-01-31
Also published as: JP2021063847A

Description

この発明は、振動環境をシミュレートするために用いる振動試験装置において、振動発生機に発生させる振動を制御するための振動制御装置に関するものである。

ランダム振動試験は、供試体を所定の振動環境にさらして、振動試験中あるいは試験実施後の供試体の状態を調べることにより、供試体の性能、信頼性や耐久性が設計の思惑どおりになっていることを実験的に検証する手法である。試験の目標は、一般的に、目標加速度ＰＳＤ（パワースペクトル密度）にて与えられる。加振に用いられる加速度振動は、「ガウス性の定常ランダム振動であること」が要求されている。

ただし、ガウス分布（正規分布）の概念には、原理的には極めて大きな（理論的には無限大の）ピークを持つ加速度が極めて低い（ゼロに限りなく近い）確率で出現することが含まれている。これを文字通りに再現する装置を作ることは不可能であり、また滅多に来ない非常に大きなピークに備えようとすることは大きな無駄を生むことも意味するので、現実の装置の実現においては、「確率密度分布関数（ＰＤＦ）がガウス分布に従い、少なくとも３σ以上の信号を含むこと」といった合理的実現のための条件緩和が行われている。

この明細書においては、以下、このような意味で装置実現のためのガウス性への要求の条件緩和が行われた信号のことを、慣例に従い単に「ガウス性信号」と呼ぶことにする。

ある不規則振動の加速度信号がガウス性信号であるとき、その同一の振動に関する他のディメンションの運動学的諸量である速度、変位あるいはジャーク（加速度の時間変化率である加加速度）などの振動波形も、それぞれガウス分布していることが知られている。これは、中心極限定理の支配下にある無作為の不規則振動一般に適用される極めて広汎に成り立つ自然法則の一環であると考えられる。

たとえば、本件発明者による特許文献１に示された装置においては、目標加速度ＰＳＤを満足するガウス性を持った加速度波形にしたがって供試体を振動させるための振動制御装置が開示されている。

また、本件発明者による特許文献２や特許文献３においては、目標加速度ＰＳＤを満足しつつ非ガウス性を持った加速度波形にしたがって供試体を振動させるための振動制御装置が開示されている。

特公平６－５１９２特開２０１３－８８１２５特開２０１８－２１７８１特許１９６１７２２

ここで、ドライブ波形を非ガウス化しつつ、目標振動物理量ＰＳＤに合致した振動を供試体に与えたいという要望があった。
また、規定された加速度ＰＳＤの要求は満たしつつ、速度、変位、ジャーク等のディメンションの異なる他の運動学的諸量のいずれかを「非ガウス性」にしたいという要望がある。上記特許文献１、２、３、４に示された技術では、このような要請に応えることはできなかった。

例を挙げると、たとえば、人間が運動の変化を感じる感覚は加速度よりもジャークに対する感度の方が高いため乗り心地改善や身体への悪影響を軽減化するため、列車、エレベータ、ローラコースターなどではジャーク量を抑制するような設計が行われている。このような場合、設計にあわせて試験波形に含まれるジャーク量をガウス性から変化させておくことができれば、実際の振動条件により近い実験を、ランダム振動試験として実施できることになる。

また、一般に振動試験装置には基本仕様としての出力しうる最大加振力や最大加速度の他に、最大速度や最大変位などについても仕様上の制限がある。加速度が最大仕様内に収まっていても、速度や変位の信号が一瞬でも最大仕様を超えることがあると、その瞬間に安全装置が働いて試験が中断されてしまうことがあり得る。このような場合、もし速度や変位の最大ピーク値をある値以下に合理的に制御しておくことができれば、当該量の制限を超える振動が起きて試験が停止されてしまう事態を、偶然に左右されることなく確実に避けることができる。

動電式振動発生機では、振動子（アーマチュア）の最大速度はアンプの出力しうる最大電圧によって制約され、最大変位は振動子の可動域に関する機械的寸法によって制約を受けている。もし、アンプの出力しうる最大電圧が足りない場合には目標速度波形の最大ピーク値が制限値以内になるように予めクリッピングしつつ（これにより速度波形は非ガウス性となる。そして、その非ガウス性を保つためには、応答点において観測される応答速度波形が波形そのものとして変化しないような制御をせねばならない。）、この振動運動に対応する加速度波形はＰＳＤの要求を維持することができれば、試験目的を果たしつつ上記問題を解決することができる。

同様に、変位制限が問題となる場合には、試験の要求する加速度ＰＳＤを有するガウス性加速度ランダム信号を応答点で実現しつつ、対応する変位信号をピーク値を確実に一定値以内に収めた非ガウス性のランダム信号として再現することができれば、変位制限超過による試験中断のおそれに脅かされることなく振動試験を遂行することができるであろう。

なお、上記と同様に、規定された運動学的諸量へのＰＳＤの要求は満たしつつ、ドライブ信号を「非ガウス性」にしたいという要望もある。

また、振動発生機に載置した供試体を所望の波形を有する振動にて振動させたいという一般的な要請もある。本件発明者は、特許文献４に示すようにこれを実現する装置をすでに発明している。しかし、この装置では、供試体の振動を加速度センサにて検出しているため、振動の加速度波形が予め決めておいた目標とする加速度波形に合致するように制御することしかできなかった。

もちろん、速度波形など他のディメンションの物理量について所望の振動の目標波形を与えるのであれば、速度センサなどを供試体に設けることで実現可能である。しかし、多種類の変位センサを設けることは煩雑であり好ましくなかった。

そこで、加速度センサ（あるいは他のディメンションのセンサ）を用いて加速度ＰＳＤ制御を行いながら、同時にそれとは異なるディメンションを持つ運動学的諸量の波形制御を行うことのできる振動制御装置が望まれる。

この発明は、上記のいずれかの問題を解決して、試験実施上の様々な付加価値を創造することのできる振動制御装置を提供することを目的とする。

この発明の独立して適用可能ないくつかの特徴を以下に列挙する。なお、この明細書においては、あるディメンションの振動物理量（たとえば加速度）に対して、同じ振動の挙動を記述する異なるディメンションの振動物理量（たとえば、当該加速度に対応する変位、速度、ジャークなど）を、対応振動物理量と呼ぶ。
この発明に係る振動制御装置は、ドライブ波形に基づいて動作する振動発生機によって振動させられている供試体の振動物理量を検出する振動物理量検出センサと、前記振動物理量検出センサからの応答振動物理量波形をフーリエ変換し、応答振動物理量ＰＳＤを得る応答振動スペクトル算出手段と、応答振動物理量ＰＳＤ、目標振動物理量ＰＳＤ、応答振動物理量波形、ドライブ波形に基づいて、ドライブＰＳＤを制御するドライブＰＳＤ制御手段と、所望の非ガウス特性を実現するように、ドライブＰＳＤから生成したスペクトルデータを逆フーリエ変換して非ガウス化ドライブ波形を算出し、これをドライブ波形とするドライブ波形算出手段とを備えている。
上記発明に対応する実施形態は、図１８および段落０１６５～０１７８に記載されている。

(1)(2)この発明に係る振動制御装置は、ドライブ波形に基づいて動作する振動発生機によって振動させられている供試体の振動物理量を検出する振動物理量検出センサと、前記振動物理量検出センサからの応答振動物理量波形をフーリエ変換し、応答振動物理量ＰＳＤを得る応答振動スペクトル算出手段と、応答振動物理量ＰＳＤと目標振動物理量ＰＳＤに基づいて、制御用振動物理量ＰＳＤに対応する異ディメンションの制御用対応振動物理量ＰＳＤを算出する制御用対応物理量ＰＳＤ算出手段と、所望の非ガウス特性を実現するように、制御用対応振動物理量ＰＳＤから生成したスペクトルデータを逆フーリエ変換して非ガウス化制御用対応振動物理量波形を算出し、これを制御用対応振動物理量波形とする制御用対応振動物理量波形算出手段と、振動試験機および供試体を含む系の伝達特性の逆特性を制御特性として、制御用対応振動物理量波形に基づいてドライブ波形を算出するドライブ波形算出手段と、前記ドライブ波形と前記応答振動物理量波形とに基づいて、前記制御特性を修正する制御特性修正手段とを備えている。

したがって、目標振動物理量ＰＳＤに合致したガウス性の振動を供試体に与えつつ、対応振動物理量において非ガウス性をもたらすような制御を可能としている。

(3)この発明に係る振動制御装置は、制御用対応物理量ＰＳＤ算出手段が、応答振動物理量ＰＳＤを目標振動物理量ＰＳＤと比較し、応答振動物理量ＰＳＤが目標振動物理量ＰＳＤに等しくなるように制御用振動物理量ＰＳＤを算出する制御用振動物理量ＰＳＤ算出手段と、制御用振動物理量ＰＳＤを前記異ディメンションの制御用対応振動物理量ＰＳＤに変換する制御用ＰＳＤ変換手段とを備えている。

したがって、目標振動物理量ＰＳＤと応答振動物理量ＰＳＤとが合致するように、制御用対応振動物理量ＰＳＤを生成することができる。

(4)この発明に係る振動制御装置は、制御用対応物理量ＰＳＤ算出手段が、応答振動物理量ＰＳＤを前記異ディメンションの応答対応振動物理量ＰＳＤに変換する応答ＰＳＤ変換手段と、目標振動物理量ＰＳＤを前記異ディメンションの目標対応振動物理量ＰＳＤに変換する目標ＰＳＤ変換手段と、応答対応振動物理量ＰＳＤを目標対応振動物理量ＰＳＤと比較し、応答対応振動物理量ＰＳＤが目標対応振動物理量ＰＳＤに等しくなるように制御用対応振動物理量ＰＳＤを修正する制御用対応振動物理量ＰＳＤ修正手段とを備えている。

(5)この発明に係る振動制御装置は、制御用対応振動物理量波形算出手段が、制御用対応物理量ＰＳＤから生成した振幅スペクトルデータに一様乱数位相を与えて逆フーリエ変換し、ガウス性制御用対応物理量波形を得るガウス性制御用対応物理量波形算出手段と、前記ガウス性制御対応物理量波形を非ガウス変換特性に基づいて非ガウス波形に変換する非ガウス変換手段と、前記非ガウス変換波形をフーリエ変換して各周波数成分の位相を非ガウス性信号位相として抽出する非ガウス性信号位相抽出手段と、前記制御用対応物理量ＰＳＤに前記非ガウス性信号位相を与えて逆フーリエ変換し、前記非ガウス化制御用対応振動物理量波形を算出する波形算出手段とを備えている。

したがって、応答振動物理量波形とドライブ波形に基づいて制御を行って、供試体を制御用対応振動物理量波形に合致するように振動させることができる。

(6)この発明に係る振動制御装置は、制御用対応振動物理量波形算出手段が、制御用対応物理量ＰＳＤから生成した振幅スペクトルデータに一様乱数位相を与えて逆フーリエ変換し、ガウス性制御用対応物理量波形を得るガウス性制御用対応物理量波形算出手段と、前記ガウス性制御対応物理量波形を非ガウス変換特性に基づいて変換し、非ガウス化制御用対応振動物理量波形を算出する波形算出手段とを備えている。

(7)この発明に係る振動制御装置は、非ガウス変換特性はＺＭＮＬ関数であることを特徴としている。

したがって、容易に非ガウス波形を得ることができる。

(8)この発明に係る振動制御装置は、非ガウス性変換特性が、前記ガウス性制御対応物理量波形が所定の限界値を超えないようにピーク値を制限する特性であり、前記ガウス性制御対応物理量波形が前記限界値を超えない場合には、当該ガウス性制御対応物理量波形を非ガウス化制御用対応振動物理量波形として用いることを特徴としている。

したがって、制御用対応物理量波形を限界値内に収めるように制御することができる。

(9)この発明に係る振動制御装置は、ドライブ波形算出手段が、制御用対応振動物理量波形に前記制御特性であるインパルス応答を畳み込み演算してドライブ波形を算出するものであり、前記制御特性修正手段は、前記応答振動物理量波形を変換した応答対応振動物理量波形のスペクトルと前記ドライブ波形のスペクトルとに基づいて、対応振動物理量伝達関数の逆数としての制御特性を算出するものであることを特徴としている。

したがって、応答波形を振動物理量で検出しつつ、ディメンションの異なる対応振動物理量の波形に合致するように供試体を振動させることができる。

(10)この発明に係る振動制御装置は、制御特性修正手段が、前記ドライブ波形と前記応答振動物理量波形に基づいて振動物理量伝達関数を算出する伝達関数算出手段と、前記振動物理量伝達関数を対応振動物理量伝達関数に変換する伝達関数変換手段と、前記対応振動物理量伝達関数の逆数として制御特性を算出する逆伝達関数算出手段とを備えている。

(11)この発明に係る振動制御装置は、ドライブ波形算出手段が、制御用対応振動物理量波形を非ガウス化制御用振動物理量波形に変換する波形変換手段と、振動試験機および供試体を含む系のインパルス応答を制御特性として、制御用振動物理量波形にインパルス応答を畳み込み演算してドライブ波形を算出する制御手段とを備えている。

(12)この発明に係る振動制御装置は、振動物理量検出センサは、振動の変位、速度、加速度、ジャークのいずれかを検出するセンサであり、前記振動物理量は、変位、速度、加速度、ジャークのいずれかであることを特徴とする。

したがって、振動の変位、速度、加速度、ジャークについて、いずれかのディメンションでの制御を行うことができる。

(13)(14)この発明に係る振動制御装置は、ドライブ波形に基づいて動作する振動発生機によって振動させられている供試体の加速度を検出する加速度センサと、前記加速度センサからの応答加速度波形をフーリエ変換し、応答加速度ＰＳＤを得る応答振動スペクトル算出手段と、応答加速度ＰＳＤと目標加速度ＰＳＤに基づいて、制御用加速度ＰＳＤに対応する制御用変位ＰＳＤ、制御用速度ＰＳＤまたは制御用ジャークＰＳＤを算出する制御用対応物理量ＰＳＤ算出手段と、制御用変位ＰＳＤ、制御用速度ＰＳＤまたは制御用ジャークＰＳＤから生成した振幅スペクトルデータに一様乱数位相を与えて逆フーリエ変換し、ガウス性制御用変位波形、ガウス性制御用速度波形またはガウス性制御用ジャーク波形を得るガウス性制御用対応物理量波形算出手段と、所定の単位期間の前記ガウス性制御用変位波形、ガウス性制御用速度波形またはガウス性制御用ジャーク波形において、制限値を超えている部分がなければ、当該ガウス性制御用変位波形、ガウス性制御用速度波形またはガウス性制御用ジャーク波形をそのまま制御用変位波形、制御用速度波形または制御用ジャーク波形としてドライブ波形算出手段に与え、制限値を超えている部分があれば、下記の非ガウス変換手段、非ガウス性信号位相抽出手段、波形算出手段によって算出された、非ガウス化制御用変位波形、非ガウス化制御用速度波形または非ガウス化制御用ジャーク波形を制御用変位波形、制御用速度波形または制御用ジャーク波形としてドライブ波形算出手段に与える判断手段と、振動試験機および供試体を含む系の伝達特性の逆特性を制御特性として、前記制御用変位波形、制御用速度波形または制御用ジャーク波形に基づいてドライブ波形を算出するドライブ波形算出手段と、前記ドライブ波形と前記応答加速度波形に基づいて加速度伝達関数を算出する伝達関数算出手段と、前記加速度伝達関数を変位伝達関数、速度伝達関数またはジャーク伝達関数に変換する伝達関数変換手段と、変位伝達関数、速度伝達関数またはジャーク伝達関数の逆数として制御特性を算出する逆伝達関数算出手段とを備えている。

(15)(17)この発明に係る振動制御装置は、供試体を振動させるためのドライブ波形および供試体の振動を検出した応答振動物理量波形の第１ディメンションとは異なる第２ディメンションの目標振動物理量波形に合致するように供試体を振動させる振動制御装置であって、ドライブ波形に基づいて動作する振動発生機によって振動させられている供試体の振動物理量を検出して応答振動物理量波形を出力する振動物理量検出センサと、振動試験機および供試体を含む系の伝達特性の逆特性である制御特性を用いて、目標振動物理量波形に基づいてドライブ波形を算出するドライブ波形算出手段と、前記応答振動物理量波形と前記ドライブ波形とに基づいて、前記応答振動物理量波形を第２ディメンションに変換した応答第２振動物理量波形のスペクトルと前記ドライブ波形のスペクトルの比である第２ディメンション伝達関数の逆数としての制御特性を修正する制御特性修正手段とを備えている。

(16)(18)この発明に係る振動制御装置は、振動物理量検出センサからの応答振動物理量波形をフーリエ変換し、応答振動物理量ＰＳＤを得る応答振動スペクトル算出手段と、応答振動物理量ＰＳＤと目標振動物理量ＰＳＤに基づいて、応答振動物理量ＰＳＤと目標振動物理量ＰＳＤが合致するように、制御用振動物理量ＰＳＤを算出する制御用物理量ＰＳＤ算出手段と、制御用振動物理量ＰＳＤから生成したスペクトルデータを逆フーリエ変換して制御用振動物理量波形を算出しこれを前記目標振動物理量波形としてドライブ波形算出手段に与える制御用振動物理量波形算出手段とを備えたことを特徴とする。

したがって、振動物理量にて与えられた目標ＰＳＤに応答振動物理量ＰＳＤが合致するように制御を行い、かつディメンションの異なる対応振動物理量の目標波形に応答波形が合致するように供試体を振動させることを可能とした装置を提供できる。

(19)この発明に係る振動制御装置は、制御特性修正手段が、前記ドライブ波形と前記応答振動物理量波形に基づいて第１ディメンション伝達関数を算出する伝達関数算出手段と、前記第１ディメンション伝達関数を第２ディメンション伝達関数に変換する伝達関数変換手段と、第２ディメンション伝達関数の逆数として制御特性を算出する逆伝達関数算出手段とを備えている。

したがって、応答波形を第１ディメンションの振動物理量で検出しつつ、ディメンションの異なる第２ディメンションの振動物理量の波形に合致するように供試体を振動させることができる。

(20)この発明に係る振動制御装置は、制御特性修正手段が、前記応答振動物理量波形を応答第２振動物理量波形に変換する応答振動物理量波形変換手段と、前記ドライブ波形と前記応答第２振動物理量波形とに基づいて、第２ディメンション伝達関数を算出する伝達関する算出手段と、第２ディメンション伝達関数の逆数として制御特性を算出する逆伝達関数算出手段とを備えている。

(21)(22)この発明に係る振動制御装置は、ドライブ波形に基づいて動作する振動発生機によって振動させられている供試体の振動物理量を検出する振動物理量検出センサと、前記振動物理量検出センサからの応答振動物理量波形をフーリエ変換し、応答振動物理量ＰＳＤを得る応答振動スペクトル算出手段と、応答振動物理量ＰＳＤ、目標振動物理量ＰＳＤ、応答振動物理量波形、ドライブ波形に基づいて、ドライブＰＳＤを制御するドライブＰＳＤ制御手段と、所望の非ガウス特性を実現するように、ドライブＰＳＤから生成したスペクトルデータを逆フーリエ変換して非ガウス化ドライブ波形を算出し、これをドライブ波形とするドライブ波形算出手段とを備えている。

したがって、ドライブ波形を非ガウス化しつつ、目標振動物理量ＰＳＤに合致した振動を、供試体４に与えることができる。

「応答振動スペクトル算出手段」は、実施形態においては、ステップＳ２がこれに対応する。

「制御用振動物理量ＰＳＤ算出手段」は、実施形態においては、ステップＳ３がこれに対応する。

「ＰＳＤ変換手段」は、実施形態においては、ステップＳ４がこれに対応する。

「ガウス性制御用対応物理量波形算出手段」は、実施形態においては、ステップＳ５がこれに対応する。

「非ガウス変換手段」は、実施形態においては、ステップＳ６がこれに対応する。

「位相抽出手段」は、実施形態においては、ステップＳ７がこれに対応する。

「波形算出手段」は、実施形態においては、ステップＳ８がこれに対応する。

「ドライブ波形算出手段」は、実施形態においては、ステップＳ１１～Ｓ１４やステップＳ５１～Ｓ５４がこれに対応する。

「伝達関数算出手段」は、実施形態においては、ステップＳ１７、Ｓ５７がこれに対応する。

「伝達関数変換手段」は、実施形態においては、ステップＳ１８、Ｓ５８がこれに対応する。

「逆伝達関数算出手段」は、実施形態においては、ステップＳ１９、Ｓ５９がこれに対応する。

「プログラム」とは、ＣＰＵにより直接実行可能なプログラムだけでなく、ソース形式のプログラム、圧縮処理がされたプログラム、暗号化されたプログラム等を含む概念である。

この発明の一実施形態による振動制御装置の機能ブロック図である。振動制御装置のハードウエア構成である。振動制御プログラムのフローチャートである。振動制御プログラムのフローチャートである。図５Ａは目標加速度ＰＳＤ、図５Ｂは応答加速度ＰＳＤ、図５Ｃは制御用加速度ＰＳＤ、図５Ｄは修正された制御用加速度ＰＳＤの例である。図６Ａは制御用速度ＰＳＤと元の制御用加速度ＰＳＤ、図６Ｂはガウス性制御用速度波形と強引にクリッピングされた波形、図６Ｃはガウス性制御用速度波形とソフトにクリッピングされた波形を示す図である。図７Ａは窓関数の例、図７Ｂ～図７Ｆは、窓関数処理された波形の重ね合わせを説明するための図である。図８Ａは目標加速度波形、図８Ｂはピーク制限をした目標速度波形の例である。図８Ｃは目標加速度波形と目標速度波形をそれぞれヒストグラム分析した振幅確率密度関数（ＰＤＦ）とガウス分布の理論的なＰＤＦ、図８Ｄはドライブ波形の例である。図８Ｅは応答加速度波形、図８Ｆは応答速度波形の例である。図８Ｇは応答加速度波形と応答速度波形をヒストグラム分析した結果のＰＤＦ、図８Ｈは応答加速度ＰＳＤ(実線)、目標加速度ＰＳＤ（点線）、ドライブ電圧ＰＳＤ（一点鎖線）の例である。制御用対応振動物理量ＰＳＤ算出手段３０の他の例を示す図である。ドライブ波形算出手段５０、制御特性修正手段６０の他の例を示す図である。制御用対応振動物理量波形算出手段４０の他の例を示す図である。ＺＭＮＬ関数の例である。運動を記述する物理量の各ディメンション間の関係を示す図である。第２の実施形態による振動制御装置の機能ブロック図である。振動制御プログラムのフローチャートである。制御特性修正手段６０の他の例を示す図である。他の例による振動制御装置の機能ブロック図である。さらに他の例による振動制御装置の機能ブロック図である。

１．第１の実施形態
1.1機能構成
図１に、この発明の一実施形態による振動制御装置の機能構成図を示す。この実施形態において、アンプ８０、振動発生機２、供試体４、振動物理量検出センサ６は、振動制御装置を構成するものではない。

振動発生機２には、試験対象である供試体４が載置されている。振動発生機２によって振動させられている供試体４の振動は、振動物理量検出センサ６によって検出される。振動物理量検出センサ６としては、変位センサ、速度センサ、加速度センサ、ジャークセンサなどを用いることができる。振動物理量検出センサ６からの応答振動物理量信号（変位信号、速度信号、加速度信号またはジャーク信号など）は、Ａ／Ｄ変換器１０によってディジタルデータである応答振動物理量波形に変換される。応答振動物理量波形は、振動の特性を、変位、速度、加速度またはジャークなどのディメンションにて表したデータとなる。

応答振動スペクトル算出手段２０は、応答振動物理量波形を周波数解析（ＦＦＴ）し、その応答振動物理量ＰＳＤを算出する。制御用対応振動物理量ＰＳＤ算出手段３０は、応答振動物理量ＰＳＤと目標振動物理量ＰＳＤとに基づいて、制御用対応振動物理量ＰＳＤを算出する。

この明細書では、あるディメンションの振動物理量に対して、同じ振動の挙動を示す異なるディメンションの振動物理量を、対応振動物理量と呼んでいる。したがって、上述の応答振動物理量ＰＳＤと制御用対応振動物理量ＰＳＤは、ディメンションが異なるものである。

この実施形態においては、制御用対応振動物理量ＰＳＤ算出手段３０は、制御用振動物理量ＰＳＤ算出手段３２とＰＳＤ変換手段３４を備えている。制御用振動物理量ＰＳＤ算出手段３２は、応答振動物理量ＰＳＤと目標振動物理量ＰＳＤが合致するように、制御用振動物理量ＰＳＤを算出する。これは、目標振動物理量ＰＳＤを持つ振動を振動発生機２に与えても、振動発生機２、供試体４を含む系の伝達特性の存在とその非線形的な変動や制御系を設定する際の制御分解能の適否等によって、供試体４は目標振動物理量ＰＳＤとは異なる振動をするためである。このため、応答振動物理量ＰＳＤと目標振動物理量ＰＳＤが合致するように、制御用振動物理量ＰＳＤを逐次修正して算出するようにしている。

ＰＳＤ変換手段３４は、このようにして算出された制御用振動物理量ＰＳＤを、異なるディメンションの制御用対応振動物理量ＰＳＤに変換する。したがって、この実施形態では、検出された振動物理量とは異なるディメンションの対応振動物理量にて制御が行われることになる。

制御用対応振動物理量波形算出手段４０は、制御用対応振動物理量ＰＳＤに基づいて所望の非ガウス特性を実現するように、制御用対応振動物理量波形を算出する。

この実施形態においては、制御用対応振動物理量波形算出手段４０は、ガウス性制御用対応物理量波形算出手段４２、非ガウス変換手段４４、位相抽出手段４６、波形算出手段４８を備えている。

ガウス性制御用対応物理量波形算出手段４２は、制御用対応振動物理量ＰＳＤに一様乱数位相を与えて、ガウス性制御用対応物理量波形を算出する。非ガウス変換手段４４は、ガウス性制御用対応物理量波形を所定の非ガウス特性に基づいて非ガウス化して非ガウス波形を算出する。たとえば、ＺＭＮＬ関数などを用いて制御用対応物理量波形の振幅を変換したり、制御用対応物理量波形の振幅（絶対値）が所定値を超えないように制限する操作（クリッピング）などを行う。

位相抽出手段４６は、この非ガウス波形の位相の周波数特性を算出する。波形算出手段４８は、制御用対応振動物理量ＰＳＤとこの位相とに基づいて、非ガウス化制御用対応振動物理量波形を算出し、これを制御用対応振動物理量波形とする。

したがって、この制御用対応振動物理量波形のとおりに供試体４を振動させることができれば、目標振動物理量ＰＳＤを満足しつつ、対応振動物理量が非ガウス化された振動を、供試体４に与えることができる。

ドライブ波形算出手段５０は、制御用対応振動物理量波形を、系の伝達関数を考慮した制御特性に基づいて変形し、ドライブ波形を算出する。

制御特性修正手段６０は、応答振動物理量波形とドライブ波形に基づいて、上記制御特性を逐次更新する。

この実施形態では、制御特性修正手段６０は、伝達関数算出手段６２、伝達関数変換手段６４、逆伝達関数算出手段６６を備えている。伝達関数算出手段６２は、応答振動物理量波形とドライブ波形に基づいて、振動物理量伝達関数を算出する。伝達関数変換手段６４は、振動物理量伝達関数を対応振動物理量伝達関数に変換する。逆伝達関数算出手段６６は、対応振動物理量伝達関数を逆数にし、対応振動物理量逆伝達関数を算出する。

上記のようにして修正された制御特性としての対応振動物理量逆伝達関数は、ドライブ波形算出手段５０において、ドライブ波形を算出するために用いられる。

算出されたドライブ波形は、Ｄ／Ａ変換器７０によってドライブ信号に変換され、アンプ８０によって増幅されて振動発生機２に与えられる。

1.2ハードウエア構成
以下では、加速度ＰＳＤが目標加速度ＰＳＤに合致し、限界値以上の速度が生じない等の条件のもとで、ランダム振動試験を行う場合について説明する。アンプ８０の出力電圧に制限がある場合に、速度が限界値を超えないよう制御する要請がある。

図２に、振動制御装置のハードウエア構成を示す。振動発生機２は、供試体４を載置して固定するための振動台（図示せず）を有している。振動発生機２は、この振動台を振動させる。また、この振動を検出するため、供試体４に振動物理量検出センサとしての加速度センサ６が設けられている。

この実施形態では、加速度センサ６を用いて、応答振動物理量として加速度を得るようにしている。しかし、変位センサ、速度センサ、ジャークセンサを用いて、他のディメンションの変位、速度、ジャークを応答振動物理量として得るようにしてもよい。

ＣＰＵ９０には、メモリ９２、タッチスクリーン・ディスプレイ９４、不揮発性メモリ９６、Ｄ／Ａ変換器７０、Ａ／Ｄ変換器１０が接続されている。なお、振動発生機２に対する出力は、Ｄ／Ａ変換器７０、アンプ８０を介して、アナログ信号として振動発生機２に与えられる。また、加速度センサ６からの入力は、Ａ／Ｄ変換器１０を介して、ディジタルデータとして取り込まれる。

不揮発性メモリ９６には、オペレーティングシステム９７、制御プログラム９８が記録されている。制御プログラム９６は、オペレーティングシステム６４と協働してその機能を発揮するものである。

1.3振動制御処理
図３、図４に、制御プログラム９８のフローチャートを示す。以下では、図５Ａに示すような目標加速度ＰＳＤを有する振動であって、速度振幅の絶対値が制限値を超えないような制限を加えた振動を、供試体４に与える場合の制御について説明する。目標加速度ＰＳＤや速度振幅の制限値は、ユーザによってタッチスクリーン・ディスプレイ９４などから入力され、不揮発性メモリ９６に記録されている。

ＣＰＵ９０は、Ａ／Ｄ変換器１０を介して、加速度センサ６からの応答加速度波形を所定時間分（１フレームと呼ぶ）取り込む（ステップＳ１）。さらに、ＣＰＵ９０は、この応答加速度波形をフーリエ変換（ＦＦＴ）し、応答加速度ＰＳＤを算出する（ステップＳ２）。算出された応答加速度ＰＳＤの例を、図５Ｂに示す。なお、この実施形態では、１フレーム分の応答加速度波形について応答加速度ＰＳＤを算出したが、過去の所定フレーム分の応答波形について応答加速度ＰＳＤを算出するようにしてもよい。

続いて、ＣＰＵ９０は、応答加速度ＰＳＤと目標加速度ＰＳＤを比較し、両者が合致するように制御用加速度ＰＳＤを修正する（ステップＳ３）。たとえば、上記応答加速度ＰＳＤが得られた時の制御用加速度ＰＳＤが図５Ｃのようであったとする。すなわち、この制御用加速度ＰＳＤに基づいて生成した振動にて振動発生機２を動作させた時、図５Ｂに示す応答加速度ＰＳＤが得られたとする。

図５Ｂに示す応答加速度ＰＳＤは、目標加速度ＰＳＤと合致していない部分がある。ＣＰＵ９０は、周波数成分（ラインという）ごとに、その大小を比較する。周波数成分ごとに、応答加速度ＰＳＤが目標加速度ＰＳＤを下回っていれば制御用加速度ＰＳＤを大きくし、応答加速度ＰＳＤが目標加速度ＰＳＤを上回っていれば、制御用加速度ＰＳＤ（図５Ｃ）を小さくする。ＣＰＵ９０は、このような修正を施して、図５Ｄに示すような新たな制御用加速度ＰＳＤを算出する。

次に、ＣＰＵ９０は、生成した制御用加速度ＰＳＤを積分し、異なるディメンションの制御用速度ＰＳＤに変換する。図６Ａに、変換して得られた制御用速度ＰＳＤと元の制御用加速度ＰＳＤとを比較して示す。制御用速度ＰＳＤと元の制御用加速度ＰＳＤではディメンションが異なるが、比較のため、同じグラフ画面上に並べて示す。

ＣＰＵ９０は、この制御用速度ＰＳＤから速度スペクトルの振幅成分を決め、その各成分に一様乱数位相を与えて逆フーリエ変換（逆ＦＦＴ）を行い、１フレーム分の制御用速度波形を得る（ステップＳ５）。一様乱数位相を与えているので、得られた制御用速度波形はガウス性を有している。

次に、ＣＰＵ９０は、このガウス性制御用速度波形を制限値にてクリッピングする（ステップＳ６）。図６Ｂに、ステップＳ５で得られたガウス性制御用速度波形およびクリッピングされた波形を示す。図６Ｂにおいて、制限値はＴＨＵおよびＴＨＬにて示している。制限値ＴＨＵ、ＴＨＬを超える部分が平坦にされたクリッピング波形が得られることになる。

このように制御用速度波形を制限値にて強引にクリッピングすることにより得られるこのような速度波形にて、供試体４を振動させた時のアンプ８０の電圧が限界値を超えてしまうことを防止することができるように思われる。しかし、現実には、クリッピングした箇所には元の波形には含まれていなかった制御帯域外の高周波成分が存在する。したがって、このような波形をその形を保ったまま波形制御することは不可能である。また、そもそも、この波形は、制御用速度ＰＳＤからずれたＰＳＤを持つことになってしまう。したがって、図６Ｂの強引にクリッピングされた制御用速度波形をそのまま用いたのでは、図５Ａに示す、目標加速度ＰＳＤを達成できないことになる。

そこで、この実施形態では、以下のようにしてこの問題を解決している。ＣＰＵ９０は、図６Ｂに示すクリッピングされた速度波形をフーリエ変換し、位相の周波数特性を算出する（ステップＳ７）。次に、ＣＰＵ９０は、図６Ａの制御用速度ＰＳＤから決まる振幅スペクトルにこのクリッピングした波形の位相情報を与え、逆フーリエ変換（逆ＦＦＴ）を行い、１フレーム分の非ガウス性制御用速度波形を得る（ステップＳ８）。この非ガウス性制御用速度波形を、波形制御のための目的波形である制御用速度波形とする。これにより、制御用速度ＰＳＤを維持しつつ、波形のピーク値が指定された制限値以内に保たれるようにしている。

なお、上記のようにして得た非ガウス性制御用速度波形が、制限値を超えていないかどうかを判断し、超えていれば当該非ガウス性制御用速度波形についてステップＳ６～Ｓ８を実行し、制限値を超えない非ガウス性制御用速度波形を得るまでこれを繰り返すようにしてもよい。なお、所定回数繰り返しても制限値を超えない非ガウス性制御用速度波形を得ることができない場合には、ステップＳ５に戻って、１フレーム分のガウス性制御用速度波形を生成するところからやり直してもよい。

また、ステップＳ６において、１フレーム分のガウス性制御用速度波形が制限値を超えておらずクリッピングを行う必要がなければ、これをそのまま制御用速度波形として用いるようにしてもよい。

図６Ｃは、このような処理を経て得られた制御用速度ＰＳＤを維持しつつ１フレーム中の波形のすべての点が制限値以内に入っている波形の一例である。この波形にはもはや単純なクリッピングの痕はなく、いわばソフトなクリッピング処理がなされている。

以上のようにして制御用速度波形を得ることができると、ＣＰＵ９０は、１フレーム分の制御用速度波形に窓関数を乗じる（ステップＳ９）。たとえば、図７Ａに示すように、１フレームの開始時点と終了時点において「０」、中央時点において最大値をとるような関数を用いる。そして、この関数を一定の幅ずつずらせて重ねると、その合計値が全ての時点において「１」となるような関数が好ましい。

このとき用いる窓関数が持つべき性質については特許文献１に述べられている。また、窓関数を乗じて生成される波束状の波形データをフレームの幅の１／Ｍずつずらせて重ね合わせて行く処理を行うが、Ｍの値は用いている窓関数の特性により決まる一定の条件を満たすものでなければならない（特許文献１参照）。このように、窓関数と数値Ｍの選択には一定の自由があるが、通常はハニング窓関数が使われることが多く、その場合に可能なＭの最小値は４である。本明細書でもＭ＝４の場合を例示する。

窓関数を乗じた速度波形をずらせて重ね合わせる操作を続けることにより、離散的なスペクトルを有する１フレームずつの制御用速度波形（疑似ランダム波形）が、整合的につなぎ合わされて連続する制御用速度波形が生成される。この波形データは周期を持たないから真の不規則波形（真ランダム波形）であり、したがって連続的なスペクトルを有するものとなる。また、フレームの開始時点と終了時点において波形が滑らかに「０」に収束するので、接続点において余分な周波数成分がもたらされない。

ＣＰＵ９０は、このようにして窓関数を乗じた制御用速度波形を１／４フレームずらして重ね合わせる（ステップＳ１０）。したがって、ステップＳ１～Ｓ１０の処理を繰り返すと、図７Ｂ～７Ｅに示すように、１／４フレームずれた波形が重ね合わされて、図７Ｆに示すような連続した制御用速度波形を得ることができる。

なお、連続した制御用速度波形の１フレームが、制限値を超えていないかどうかを判断し、超えていれば再度、制御用速度波形を算出し直すようにしてもよい。

続いて、ＣＰＵ９０は、連続した制御用速度波形から１フレーム分を取り出す（ステップＳ１１）。ただし、引き続いて実施するドライブ信号生成過程をそのまま１フレーム単位で実施するとフレームの継ぎ目に不連続な箇所ができる可能性がある。そこで、取り出し開始点を１／２フレームずつずらしながら取り出した波形データにハニング窓を掛けた波形に制御特性としてのインパルス応答を畳み込み演算してドライブ信号波形を作り、それらを再び順に１／２フレームずつずらしながら重ね合わせてつないで行くオーバラップ処理を行うようにしている（ステップＳ１２、Ｓ１３、Ｓ１４）。

ＣＰＵ９０は、取り出した１フレーム分の制御用速度波形に、制御特性としてのインパルス応答を畳み込み演算してドライブ信号を生成する（ステップＳ１３）。この実施形態では、制御特性として、振動発生機２、供試体４を含む系の伝達関数の逆特性を用いている。つまり、制御用速度波形にて供試体４を振動させるためには、制御用速度波形に伝達関数の逆特性に対応するインパルス応答を畳み込み演算した波形をドライブ波形として与えることで、これを実現できるからである。なお、制御特性として伝達関数を用いてもよい。

ＣＰＵ９０は、前記の窓関数を乗じて１／２フレームずつずらした状態で重ね合わせるオーバラップ処理を行いながら、このようにして得たドライブ信号をつなぎ合わせていく（ステップＳ１２、Ｓ１４）。このようにして連続したドライブ波形を得て、これを出力Ｄ／Ａ変換器７０を介してアンプ８０に出力する（ステップＳ１５）。

したがって、アンプ８０によって増幅されたドライブ信号が振動発生機２に与えられ、供試体４を振動させることができる。なお、この際、制御用速度波形において制限値を超えないような処理をしているので、対応するアンプ８０の最大電圧を超えるおそれがない。

次に、ＣＰＵ９０は、加速度センサ６からの応答加速度波形を取得する（ステップＳ１６）。与えたドライブ波形とこれに対応する応答加速度波形に基づいて、系の加速度伝達関数を算出する（ステップＳ６２）。すなわち、応答加速度信号をＦＦＴして応答加速度スペクトル（位相情報も含む）を算出し、ドライブ波形をＦＦＴしてドライブスペクトル（位相情報も含む）を算出する。両者から、加速度スペクトルとドライブスペクトルの比として加速度伝達関数を算出する。

次に、この加速度伝達関数を積分して速度伝達関数に変換する（ステップＳ１８）。すなわち、速度スペクトルとドライブスペクトルの比としての速度伝達関数に変換する。算出した速度伝達関数の逆数を制御特性として更新する（ステップＳ１９）。この制御特性は、次のドライブ信号生成の際に用いられることになる。

一方、前記応答加速度スペクトルを二乗した量を分析の周波数分解能Δfで割ったものを、ランダム振動試験条件が定める所定の統計的自由度を持つよう平均化を行い、応答加速度ＰＳＤを算出する（ステップＳ２）。この応答加速度ＰＳＤを目標加速度ＰＳＤと比較し、誤差がゼロに近づくように制御用加速度ＰＳＤデータを修正する（ステップＳ３）。

ＣＰＵ９０は、以上の処理を繰り返し、所望の加速度ＰＳＤを有するガウス性加速度振動であって、かつ対応する速度波形においては非ガウス性を有する振動を供試体４に与えることができる。

以上説明した操作が順に適用されて、非ガウス性ランダム振動制御器が形成される。図８Ａ～Ｈには、本発明の技術によって従来のランダム振動制御器の機能に新しくもたらされる機能を端的に示した例を掲げる。これは、速度波形のすべてのデータが目標速度ＰＳＤから決まる標準偏差値σ（ＤＣ成分がないので、ＲＭＳ値と一致する）で測って±２．７σ相当の値を超えないようにピーク制限した場合のデータである。図８Ａは、図６Ａの目標加速度ＰＳＤデータを元に上述の操作によって生成した目標加速度波形である。＋３σに相当するレベルと－３σに相当するレベルとが点線で表示されているが、加速度信号はこれらのレベルの外側の領域にも分布していることから本信号はガウス性であることが窺われる。

一方、図８Ｂは、上述の操作によって生成した速度の±２．７σ相当レベルでピーク制限をした速度波形である。すべての速度波形データが±３σレベルを示す点線の内側、±２．７σ相当レベル以内の領域に分布していることが見て取れる。この信号は非ガウス性である。

図８Ｃは、上記の目標加速度波形と目標速度波形をそれぞれヒストグラム分析して振幅確率密度関数（ＰＤＦ）を求め、ガウス分布の理論的なＰＤＦと一緒に重ね描きしたものである。目標加速度波形のＰＤＦはほぼガウス分布のＰＤＦと一致するが、目標速度波形のＰＤＦはガウス分布からの逸脱があることを明瞭に示している。とくに、±２．７σの外側にはデータ点が存在しないことが、本件の目的である速度ピーク値の制限が達成できていることを如実に示している。

さて、本発明の非ガウス性ランダム制御器では、この目標速度波形が波形として変化しないように、上述した波形制御の手法によって目標速度波形に対するイコライゼーション処理が実施され、ドライブ波形が生成される。ドライブ波形のデータ例を図８Ｄに掲げる。このドライブ波形がアンプ８０に対して出力され、アンプが振動発生機２を駆動して、加振テーブル４上の制御点６に設置した加速度センサにより応答加速度波形として検出される。図８Ｅに応答加速度波形の例を掲げる。この信号は±３σのレベルの外側の領域にも分布していることから本信号はガウス性であることが窺われる。

一方、図８Ｆには、速度目標波形を波形制御の手法でイコライズして出来たドライブ波形が被制御系を通過する力学過程を記述する微分方程式系を立て、これを数値積分して得られたものとしての応答速度波形データを掲げる（なお、図８Ｅの応答加速度波形データもこのようにして計算したものである）。この図に見るように波形制御の思惑はうまく行っていて、すべての応答速度波形データが±３σレベルを示す点線の内側、±２．７σ相当レベル以内の領域に分布していることが見て取れる。この信号は非ガウス性である。

図８Ｇは、これら応答加速度波形と応答速度波形をヒストグラム分析した結果のＰＤＦを重ね描きしたものである。応答加速度波形のＰＤＦはガウス分布のＰＤＦとほぼ一致するが、応答速度波形のＰＤＦはガウス分布からの逸脱があることを明瞭に見て取れる。とくに、±２．７σ付近の外側にはデータ点が存在しないことから、波形制御がうまく行っていること、そしてその結果本件の目的である速度ピーク値の制限が達成できていることを如実に示している。

最後に図８Ｈとして、応答加速度ＰＳＤ(実線)を、目標加速度ＰＳＤ（点線）および被制御系の特性をイコライズする特性を持つように制御されたドライブ電圧ＰＳＤ（一点鎖線）と重ね描きした図を示す。このように、応答加速度波形はガウス性を保ちそのＰＳＤは目標加速度ＰＳＤ（点線）に良い一致を示す一方、図８Ｆ、８Ｇに見るように、応答速度波形はすべてのデータ点が指定制限値以内の領域内に収まる非ガウス性を持ったランダム波として再現されている。

正弦波など波形としての性質が確定論的に定まっている波形においては、その性質を速度で規定しようが加速度で規定しようが、同じ振動をディメンションの異なる運動学的量で見ているだけであって、実体としての振動は同じであることは言うまでもない。しかし、いまここで扱っているランダム振動は確定論的振動ではなく、その波形の形は時間の経過と共に変化し全く同じ波形は決して現れない不規則振動であり確率論的な性質のものである。ランダム振動試験は、当該の実振動環境を生み出すものとしての定常確率過程の存在を仮定し、それを目標加速度ＰＳＤで指定するという形で再現すべき振動の規定を実施している。すなわち、振動の加速度振幅スペクトル（と加速度波形のガウス性と）だけが規定されているのであって、ランダム振動は位相における大きな自由度を保持していると言えるだろう。われわれがこの発明で行ったことは、この位相の広大な自由度を利用して、加速度波形としてはガウス性を持つが、例えば速度波形としては２．７σを超えるピーク値は決して出現しないという意味で非ガウス性であるような振動を作り出すということである。このようなことが、不規則波形においては実現可能である。

1.4その他
(1)上記実施形態では、図１に示すように、制御用対応振動物理量ＰＳＤ算出手段３０を、制御用振動物理量ＰＳＤ算出手段３２、ＰＳＤ変換手段３４によって構成している。すなわち、応答振動物理量ＰＳＤと目標振動物理量ＰＳＤとから制御用振動物理量ＰＳＤを算出し、これに基づいて制御用対応振動物理量ＰＳＤを得るようにしている。

しかし、図９に示すように、変換手段３１、変換手段３３、制御用応答振動物理量ＰＳＤ算出手段３５によって、制御用対応物理量ＰＳＤ算出手段３０を構成してもよい。目標振動物理量ＰＳＤは、変換手段３１によって目標対応振動物理量ＰＳＤに変換される。応答振動物理量ＰＳＤは、変換手段３３によって応答対応振動物理量ＰＳＤに変換される。

制御用応答振動物理量ＰＳＤ算出手段３５は、目標対応振動物理量ＰＳＤと応答対応振動物理量ＰＳＤが等しくなるように制御用対応振動物理量ＰＳＤを算出する。

(2)上記実施形態では、図１に示すように、制御用対応振動物理量波形に基づき制御特性を考慮してドライブ波形を算出するようにしている。

しかし、図１０に示すように、制御用対応振動物理量波形を波形変換手段５１によって、微分（積分）して制御用振動物理量波形に変換してもよい。たとえば、制御用速度波形であれば、微分することによって制御用加速度波形を得ることができる。

制御手段５３において、このようにして変換して得た制御用振動物理量波形に基づき制御特性を考慮してドライブ波形を得ることができる。

なお、この場合の制御特性は、ドライブ波形と応答物理量波形とに基づいて得られた応答物理量伝達関数の逆数を用いる。したがって、図１０に示すように、伝達関数算出手段６２と逆伝達関数算出手段６６によって制御特性修正手段６０を構成する。

(3)上記実施形態では、図１に示すように、ガウス性制御用対応物理量波形算出手段４２、非ガウス変換手段４４、位相抽出手段４６、波形算出手段４８によって制御用対応振動物理量波形算出手段４０を構成している。すなわち、非ガウス化した制御用対応振動物理量波形の位相情報を抽出し、制御用対応振動物理量ＰＳＤとこの位相情報とに基づいて制御用対応振動物理量波形を算出するようにしている。これにより、制御用対応振動物理量ＰＳＤを維持しつつ（つまり目標振動物理量ＰＳＤを維持しつつ）非ガウス性を導入することを可能にしている。

しかし、目標振動物理量ＰＳＤを直接的に正確に維持しなくとも良い場合には、図１１に示すように、制御用対応振動物理量ＰＳＤを直接制御対象としてＰＳＤ制御を実施し、非ガウス変換手段４４によって変換した非ガウス性制御用対応振動物理量波形をそのまま制御用対応振動物理量波形として用いてもよい。

(4)上記実施形態では、図１に示すように、伝達関数算出手段６２、伝達関数変換手段６４、逆伝達関数算出手段６６によって制御特性修正手段６０を構成している。

しかし、制御特性修正手段６０の部分を、図１６に示すように、変換手段６１、伝達関数算出手段６２、逆伝達関数算出手段６６にて構成するようにしてもよい。応答物理量波形を、変換手段６１によって応答対応物理量波形に変換する。伝達関数算出手段６２は、ドライブ波形と応答対応物理量波形に基づいて、対応物理量伝達関数を算出する。逆伝達関数算出手段６６は、これを逆数にして制御特性とする。

(5)上記実施形態では、非ガウス変換手段４４における非ガウス化の一例として、クリッピングを行う場合を例として説明した。しかし、図１２に例を示すようなＺＭＮＬ関数を用い、ガウス性制御用対応振動物理量波形の振幅を変換して非ガウス化波形を算出するようにしてもよい。

また、目的とする非ガウス特性（クルトシスやスキューネスなど）を与え、これに合致するような非ガウス性波形を生成するようにしてもよい。

(6)上記実施形態では、制御用速度波形を非ガウス化（クリッピングなど）する場合について説明した。しかし、制御用変位波形を非ガウス化（クリッピングなど）する場合にも同様に適用することができる。

たとえば、クリッピングにより制御用変位波形の最大値を制限することにより、振動発生機２の最大変位を超えないように振動試験を行うことが可能となる。なお、ステップＳ４において、制御用加速度ＰＳＤを２回積分することにより、制御用変位ＰＳＤを得て、これに基づいて制御用変位波形を得ることができる。

同様に、制御用加速度ＰＳＤを微分すれば、制御用ジャークＰＳＤを得ることができ、これに基づいて制御用ジャーク波形を得ることができる。したがって、ジャーク波形をクリッピングするような制御を行うことが可能である。

さらに、上記では、応答振動物理量として応答加速度波形を得るようにしている。しかし、応答速度波形、応答変位波形、応答ジャーク波形など他のディメンションの応答波形を得るようにしてもよい。

(7)上記実施形態では、目標ＰＳＤとして目標加速度ＰＳＤが与えられる場合について説明した。しかし、その他のディメンションの振動物理量が目標ＰＳＤとして与えられる場合にも同様に適用することができる。

(8)上記実施形態では、ステップＳ１０、ステップＳ１１において、１／４フレーム、１／２フレームずつずらして重ね合わせるようにしている。しかし、１／Ｍフレームずつずらして重ね合わせるようにしてもよい。

(9)上記実施形態では、制御用速度波形に基づいてドライブ波形を算出し、応答加速度波形とドライブ波形とに基づいて速度波形伝達関数（ドライブ波形のスペクトルと応答速度波形のスペクトルとの比）を算出しその逆数を制御特性としている。

伝達関数として何を用いるかは、応答振動物理量波形としていずれのディメンションの振動物理量を検出するか、制御用振動対応物理量波形としていずれのディメンションの振動物理量を用いるかによって変わってくる。

たとえば、制御用変位波形に基づいてドライブ波形を算出し、センサ６によって応答加速度波形を得る場合であれば、応答加速度波形とドライブ波形とに基づいて変位波形伝達関数（応答変位波形のスペクトルの、ドライブ波形のスペクトルに対する比）を算出しその逆数を制御特性とすればよい。応答加速度ＰＳＤから応答変位ＰＳＤへの変換は、２回積分を行えばよい（ただし、ＰＳＤは振幅スペクトルの２乗量であることを考慮せねばならない）。

なお、同一の振動についての「変位」「速度」「加速度」「ジャーク」は、図１３に示すように、積分演算または微分演算を行うことによって、互いに変換することができる。したがって、センサ６によって検出する応答振動物理量と制御用対応振動物理量のディメンションが異なっていても、変換を行って適切な制御特性を得ることが可能である。

(10)上記実施形態では、振動発生機２により一方向に加振するための振動制御装置について説明した。しかし、複数方向に加振する多軸振動制御装置についても同様に適用することができる。

(11)上記実施形態では、目標振動物理量ＰＳＤと異なるディメンションの制御用対応振動物理量ＰＳＤを生成して制御を行っている。しかし、目標振動物理量ＰＳＤと同じディメンションの制御用振動物理量ＰＳＤを生成して制御してもよい。この場合、ＰＳＤ変換手段３４は不要である。

(12)上記各変形例は、その本質に反しない限り、互いに組み合わせ、また他の実施形態にも適用可能である。

２．第２の実施形態
2.1機能構成
図１４に、この発明の他の実施形態による振動制御装置の機能ブロック図を示す。この実施形態においては、与えられた目標波形に合致して供試体４が振動するように制御を行うものである。ただし、供試体４に取り付けられたセンサ６の検出する振動物理量のディメンションとは異なるディメンションにて、目標波形が与えられている。すなわち、応答振動物理量波形とは異なるディメンションにて、目標対応振動物理量波形が与えられている。

ドライブ波形算出手段５０は、与えられた目標対応振動物理量波形に基づいて、系の伝達関数の逆数である制御特性を用いてドライブ波形を算出する。このドライブ波形は、Ｄ／Ａ変換器７０、アンプ８０を介して、振動発生機２に与えられる。

制御特性修正手段６０の伝達関数算出手段６２は、応答振動物理量波形とドライブ波形に基づいて、振動物理量波形伝達関数を算出する。すなわち、応答振動物理量波形のスペクトル（位相情報を含む）を算出し、ドライブ波形のスペクトル（位相情報を含む）を算出し、両者の比を振動物理量波形伝達関数として算出する。

伝達関数変換手段６４は、これを微分（または積分）して、目標波形の振動物理量のディメンションと同じディメンションに変換し、対応振動物理量伝達関数を得る。逆伝達関数算出手段６６は、この逆数を算出してドライブ波形算出のための制御特性とする。

以上のようにして、センサ６のディメンションと異なるディメンションの目標波形が与えられた場合であっても、その目標波形に合致するように供試体を振動させるように制御することができる。

2.2ハードウエア構成
ハードウエア構成は、図２と同様である。

2.3振動制御処理
図１５に、制御プログラム９８（図２参照）のフローチャートを示す。ここでは、振動物理量検出センサ６が速度センサであり、目標振動物理量波形として目標ジャーク波形が与えられる場合を例として説明する。

ＣＰＵ９０は、目標ジャーク波形から１フレーム分を取り出す（ステップＳ５１）。ただし、１／２フレームずつずらしながら取り出すようにしている。

ＣＰＵ９０は、取り出した１フレーム分の目標ジャーク波形に、ハニング窓関数を掛けた波形データに、制御特性であるインパルス応答を畳み込み演算してドライブ信号を生成する（ステップＳ５２、Ｓ５３）。この実施形態では、制御特性として、振動発生機２、供試体４を含む系の伝達関数の逆特性を用いている。目標ジャーク波形にて供試体４を振動させるためには、制御用速度波形に伝達関数の逆特性に対応するインパルス応答を畳み込み演算した波形をドライブ波形として与えることで、これを実現できるからである。

ＣＰＵ９０は、このようにして窓関数を乗じて１／２フレームずつずらした状態で得た１フレーム分のドライブ信号を、ふたたび１／２フレームずつずらした状態で重ね合わせる（オーバラップ処理、ステップＳ５２、Ｓ５４）。このようにして連続したドライブ波形を得て、これを出力Ｄ／Ａ変換器７０を介してアンプ８０に出力する（ステップＳ５５）。

したがって、アンプ８０によって増幅されたドライブ信号が振動発生機２に与えられ、供試体４を振動させることができる。

次に、ＣＰＵ９０は、加速度センサ６からの応答速度波形を取得する（ステップＳ５６）。与えたドライブ波形とこれに対応する応答速度波形に基づいて、系の速度伝達関数を算出する（ステップＳ５７）。すなわち、応答速度信号をＦＦＴして速度スペクトル（位相情報も含む）を算出し、ドライブ波形をＦＦＴしてドライブスペクトル（位相情報も含む）を算出する。両者から、速度スペクトルとドライブスペクトルの比として速度伝達関数を算出する。

次に、この速度伝達関数をそのまま周波数領域で２回微分してジャーク伝達関数に変換する（ステップＳ５８）。すなわち、ジャーク・スペクトルとドライブ・スペクトルの比としてのジャーク伝達関数に変換する。算出したジャーク伝達関数の逆数を制御特性として更新する（ステップＳ５９）。この制御特性は、次のドライブ信号生成の際に用いられることになる。

ＣＰＵ９０は、以上の処理を繰り返し、与えられた目標ジャーク波形の特性を有する振動にて供試体４を振動させることができる。

2.4その他
(1)上記実施形態では、図１４に示すように、伝達関数算出手段６２、伝達関数変換手段６４、逆伝達関数算出手段６６によって制御特性修正手段６０を構成している。

しかし、図１６に示すように、変換手段６１、伝達関数算出手段６２、逆伝達関数算出手段６６にて構成するようにしてもよい。応答物理量波形を、変換手段６１によって応答対応物理量波形に変換する。伝達関数算出手段６２は、ドライブ波形と応答対応物理量波形に基づいて、対応物理量伝達関数を算出する。逆伝達関数算出手段６６は、これを逆数にして制御特性とする。

(2)上記実施形態における波形制御（目標波形のとおりに供試体を振動させる制御）は、ＰＳＤ制御の制御ループの中に用いることもできる。たとえば、図１７に示すように、目標振動物理量ＰＳＤのディメンションと異なるディメンションにて波形制御を行うことが可能となる。なお、図１７においては、図１と異なり、非ガウス化の制御を行っていない。

(3)図１８に、他の実施形態による機能ブロック図を示す。この実施形態では、ドライブ波形を非ガウス性（ピーク値を制限するなど）にする処理を行っている。

この実施形態においては、与えられた目標振動物理量ＰＳＤに合致して供試体４が振動するように制御を行うものである。供試体４に取り付けられたセンサ６の検出する振動物理量のディメンションと同じディメンションにて、目標ＰＳＤが与えられている。

応答振動スペクトル算出手段２０は、応答振動物理量波形を周波数解析（ＦＦＴ）し、その応答振動物理量ＰＳＤを算出する。ドライブＰＳＤ制御手段３１は、応答振動物理量ＰＳＤ、目標振動物理量ＰＳＤ、応答振動物理量波形、ドライブ波形に基づいて、ドライブＰＳＤを算出する。

この実施形態においては、ドライブＰＳＤ制御手段３１は、制御用振動物理量ＰＳＤ算出手段３０、ドライブＰＳＤ算出手段３３、伝達特性算出手段３５を備えている。制御用振動物理量ＰＳＤ算出手段３０は、応答振動物理量ＰＳＤと目標振動物理量ＰＳＤが合致するように、制御用振動物理量ＰＳＤを算出する。これは、目標振動物理量ＰＳＤを持つ振動を振動発生機２に与えても、振動発生機２、供試体４を含む系の伝達特性に非線形的な特性が含まれている場合やそもそも制御分解能不足である場合、また実測ＰＳＤデータに含まれる統計的ばらつきなど諸般の理由によって、供試体４は目標振動物理量ＰＳＤのものとは異なる振動をするためである。このため、応答振動物理量ＰＳＤと目標振動物理量ＰＳＤが合致するように、制御用振動物理量ＰＳＤを逐次修正して算出するようにしている。

伝達特性算出手段３５は、応答振動物理量波形とドライブ波形とに基づいて、系の伝達特性Ｈ（伝達関数）を算出する。ドライブＰＳＤ算出手段３３は、制御用振動物理量ＰＳＤに基づいて、伝達特性Ｈを考慮して、ドライブＰＳＤを算出する。すなわち、制御用振動物理量ＰＳＤに、１／Ｈ²を乗じることでドライブＰＳＤを得る。

ドライブ波形算出手段９０は、このドライブＰＳＤに基づいて、非ガウス性のドライブ波形を生成する。

この実施形態では、ドライブ波形算出手段９０は、ガウス性ドライブ波形算出手段９２、非ガウス変換手段９４、位相抽出手段９６、波形算出手段９８を備えている。

ガウス性ドライブ波形算出手段９２は、ドライブＰＳＤに一様乱数位相を与えて、ガウス性ドライブ波形を算出する。非ガウス変換手段９４は、ガウス性ドライブ波形を所定の非ガウス特性に基づいて非ガウス化して非ガウス波形を算出する。たとえば、ＺＭＮＬ関数などを用いてドライブ波形の振幅を変換したり、ドライブ波形の振幅（絶対値）が所定値を超えないように制限する（クリッピング）などを行う。

位相抽出手段９６は、この非ガウス波形の位相の周波数特性を算出する。波形算出手段９８は、ドライブＰＳＤとこの位相とに基づいて、非ガウス化ドライブ波形を算出し、これをドライブ波形とする。

なお、上記では、制御用振動物理量ＰＳＤを算出し、これに基づいてドライブＰＳＤを算出するようにしている。しかし、目標振動物理量ＰＳＤ、応答振動物理量ＰＳＤ、伝達関数に基づいて、直接的にドライブＰＳＤを算出するようにしてもよい。

また、ドライブ波形算出手段９０において、その処理内容は制御用対応振動物理量波形算出手段４０と同じである。したがって、制御用対応振動物理量波形算出手段４０に関する変形例を適用することができる。

(4)上記各変形例は、その本質に反しない限り、互いに組み合わせ、また他の実施形態にも適用可能である。

Claims

ドライブ波形に基づいて動作する振動発生機によって振動させられている供試体の振動物理量を検出する振動物理量検出センサと、
前記振動物理量検出センサからの応答振動物理量波形をフーリエ変換し、応答振動物理量ＰＳＤを得る応答振動スペクトル算出手段と、
応答振動物理量ＰＳＤ、目標振動物理量ＰＳＤ、応答振動物理量波形、ドライブ波形に基づいて、ドライブＰＳＤを制御するドライブＰＳＤ制御手段と、
所望の非ガウス特性を実現するように、ドライブＰＳＤから生成したスペクトルデータを逆フーリエ変換して非ガウス性ドライブ波形を算出し、これをドライブ波形とするドライブ波形算出手段と、
を備えたことを特徴とする振動制御装置であって、
前記ドライブＰＳＤ制御手段は、
応答振動物理量ＰＳＤおよび目標振動物理量ＰＳＤを受けて、応答振動物理量ＰＳＤが目標振動物理量ＰＳＤに合致するように、制御用振動物理量ＰＳＤを算出する制御用振動物理量ＰＳＤ算出手段と、
前記応答振動物理量波形および前記ドライブ波形に基づいて、伝達特性を算出する伝達特性算出手段と、
前記制御用振動物理量ＰＳＤおよび伝達特性に基づいて、ドライブＰＳＤを算出するドライブＰＳＤ算出手段とを備え、
前記ドライブ波形算出手段は、
前記ドライブＰＳＤから生成した振幅スペクトルデータに一様乱数位相を与えて逆フーリエ変換し、ガウス性ドライブ波形を得るガウス性ドライブ波形算出手段と、
前記ガウス性ドライブ波形を、非ガウス変換特性に基づいて非ガウス性ドライブ波形に変換する非ガウス変換手段と、
前記非ガウス性ドライブ波形をフーリエ変換して各周波数成分の位相を非ガウス性信号位相として抽出する非ガウス性信号位相抽出手段と、
前記ドライブＰＳＤに前記非ガウス性信号位相を与えて逆フーリエ変換し、非ガウス性ドライブ波形を算出する波形算出手段とを備え、
前記非ガウス性ドライブ波形は、当該非ガウス性ドライブ波形の振幅が所定値を超えないように制限されたものであり、
前記波形算出手段によって生成された非ガウス性ドライブ波形が、所定の振幅値を超えていないかどうかを判断し、超えていれば、所定の振幅値を超えていない非ガウス性ドライブ波形を得るまで、非ガウス変換手段、非ガウス性信号位相抽出手段、波形算出手段による生成処理を繰り返すことを特徴とする振動制御装置。
コンピュータによって振動制御装置を実現するための振動制御プログラムであって、コンピュータを、
ドライブ波形に基づいて動作する振動発生機によって振動させられている供試体の振動物理量を検出する振動物理量検出センサからの応答振動物理量波形をフーリエ変換し、応答振動物理量ＰＳＤを得る応答振動スペクトル算出手段と、
応答振動物理量ＰＳＤ、目標振動物理量ＰＳＤ、応答振動物理量波形、ドライブ波形に基づいて、ドライブＰＳＤを制御するドライブＰＳＤ制御手段と、
所望の非ガウス特性を実現するように、ドライブＰＳＤから生成したスペクトルデータを逆フーリエ変換して非ガウス性ドライブ波形を算出し、これをドライブ波形とするドライブ波形算出手段として機能させるための振動制御プログラムであって、
前記ドライブＰＳＤ制御手段は、
応答振動物理量ＰＳＤおよび目標振動物理量ＰＳＤを受けて、応答振動物理量ＰＳＤが目標振動物理量ＰＳＤに合致するように、制御用振動物理量ＰＳＤを算出する制御用振動物理量ＰＳＤ算出手段と、
前記応答振動物理量波形および前記ドライブ波形に基づいて、伝達特性を算出する伝達特性算出手段と、
前記制御用振動物理量ＰＳＤおよび伝達特性に基づいて、ドライブＰＳＤを算出するドライブＰＳＤ算出手段とを備え、
前記ドライブ波形算出手段は、
前記ドライブＰＳＤから生成した振幅スペクトルデータに一様乱数位相を与えて逆フーリエ変換し、ガウス性ドライブ波形を得るガウス性ドライブ波形算出手段と、
前記ガウス性ドライブ波形を、非ガウス変換特性に基づいて非ガウス性ドライブ波形に変換する非ガウス変換手段と、
前記非ガウス性ドライブ波形をフーリエ変換して各周波数成分の位相を非ガウス性信号位相として抽出する非ガウス性信号位相抽出手段と、
前記ドライブＰＳＤに前記非ガウス性信号位相を与えて逆フーリエ変換し、非ガウス性ドライブ波形を算出する波形算出手段とを備え、
前記非ガウス性ドライブ波形は、当該非ガウス性ドライブ波形の振幅が所定値を超えないように制限されたものであり、
前記波形算出手段によって生成された非ガウス性ドライブ波形が、所定の振幅値を超えていないかどうかを判断し、超えていれば、所定の振幅値を超えていない非ガウス性ドライブ波形を得るまで、非ガウス変換手段、非ガウス性信号位相抽出手段、波形算出手段による生成処理を繰り返すことを特徴とする振動制御プログラム。
加振機によって振動させられた対象物の振動を検知した応答振動物理量波形の特性が、目標振動物理量ＰＳＤまたは目標対応振動物理量ＰＳＤに合致するように、加振機に与えるべきドライブ信号のドライブＰＳＤを受け、当該ドライブＰＳＤに基づいてドライブ波形を算出するドライブ波形算出装置であって、
前記ドライブＰＳＤから生成した振幅スペクトルデータに一様乱数位相を与えて逆フーリエ変換し、ガウス性ドライブ波形を得るガウス性ドライブ波形算出手段と、
前記ガウス性ドライブ波形を、非ガウス変換特性に基づいて非ガウス性ドライブ波形に変換する非ガウス変換手段と、
前記非ガウス性ドライブ波形をフーリエ変換して各周波数成分の位相を非ガウス性信号位相として抽出する非ガウス性信号位相抽出手段と、
前記ドライブＰＳＤに前記非ガウス性信号位相を与えて逆フーリエ変換し、非ガウス性ドライブ波形を算出する波形算出手段と、
を備えたドライブ波形算出装置において、
前記非ガウス性ドライブ波形は、当該非ガウス性ドライブ波形の振幅が所定値を超えないように制限されたものであり、
前記波形算出手段によって生成された非ガウス性ドライブ波形が、所定の振幅値を超えていないかどうかを判断し、超えていれば、所定の振幅値を超えていない非ガウス性ドライブ波形を得るまで、非ガウス変換手段、非ガウス性信号位相抽出手段、波形算出手段による生成処理を繰り返すことを特徴とするドライブ波形算出装置。
加振機によって振動させられた対象物の振動を検知した応答振動物理量波形の特性が、目標振動物理量ＰＳＤまたは目標対応振動物理量ＰＳＤに合致するように、加振機に与えるべきドライブ信号のドライブＰＳＤを受け、当該ドライブＰＳＤに基づいてドライブ波形を算出するドライブ波形算出装置をコンピュータによって実現するためのドライブ波形算出プログラムであって、コンピュータを、
前記ドライブＰＳＤから生成した振幅スペクトルデータに一様乱数位相を与えて逆フーリエ変換し、ガウス性ドライブ波形を得るガウス性ドライブ波形算出手段と、
前記ガウス性ドライブ波形を、非ガウス変換特性に基づいて非ガウス性ドライブ波形に変換する非ガウス変換手段と、
前記非ガウス性ドライブ波形をフーリエ変換して各周波数成分の位相を非ガウス性信号位相として抽出する非ガウス性信号位相抽出手段と、
前記ドライブＰＳＤに前記非ガウス性信号位相を与えて逆フーリエ変換し、非ガウス性ドライブ波形を算出する波形算出手段として機能させるためのドライブ波形算出プログラムにおいて、
前記非ガウス性ドライブ波形は、当該非ガウス性ドライブ波形の振幅が所定値を超えないように制限されたものであり、
前記波形算出手段によって生成された非ガウス性ドライブ波形が、所定の振幅値を超えていないかどうかを判断し、超えていれば、所定の振幅値を超えていない非ガウス性ドライブ波形を得るまで、非ガウス変換手段、非ガウス性信号位相抽出手段、波形算出手段による生成処理を繰り返すことを特徴とするドライブ波形算出プログラム。
請求項１～４のいずれかの装置またはプログラムにおいて、
前記繰り返される生成処理には、ガウス性ドライブ波形算出手段による処理が含まれることを特徴とする装置またはプログラム。
ドライブ波形に基づいて動作する振動発生機によって振動させられている供試体の振動物理量を検出する振動物理量検出センサと、
前記振動物理量検出センサからの応答振動物理量波形をフーリエ変換し、応答振動物理量ＰＳＤを得る応答振動スペクトル算出手段と、
応答振動物理量ＰＳＤ、目標振動物理量ＰＳＤ、応答振動物理量波形、ドライブ波形に基づいて、ドライブＰＳＤを制御するドライブＰＳＤ制御手段と、
所望の非ガウス特性を実現するように、ドライブＰＳＤから生成したスペクトルデータを逆フーリエ変換して非ガウス性ドライブ波形を算出し、これをドライブ波形とするドライブ波形算出手段と、
を備えたことを特徴とする振動制御装置であって、
前記ドライブＰＳＤ制御手段は、
応答振動物理量ＰＳＤおよび目標振動物理量ＰＳＤを受けて、応答振動物理量ＰＳＤが目標振動物理量ＰＳＤに合致するように、制御用振動物理量ＰＳＤを算出する制御用振動物理量ＰＳＤ算出手段と、
前記応答振動物理量波形および前記ドライブ波形に基づいて、伝達特性を算出する伝達特性算出手段と、
前記制御用振動物理量ＰＳＤおよび伝達特性に基づいて、ドライブＰＳＤを算出するドライブＰＳＤ算出手段とを備え、
前記非ガウス性ドライブ波形は、当該非ガウス性ドライブ波形の振幅が所定値を超えないように制限されたものであり、
前記波形算出手段によって生成された非ガウス性ドライブ波形が、所定の振幅値を超えていないかどうかを判断し、超えていれば、所定の振幅値を超えていない非ガウス性ドライブ波形を得るまで、ドライブ波形算出手段による非ガウス性ドライブ波形の算出を繰り返すことを特徴とする振動制御装置。
コンピュータによって振動制御装置を実現するための振動制御プログラムであって、コンピュータを、
ドライブ波形に基づいて動作する振動発生機によって振動させられている供試体の振動物理量を検出する振動物理量検出センサからの応答振動物理量波形をフーリエ変換し、応答振動物理量ＰＳＤを得る応答振動スペクトル算出手段と、
応答振動物理量ＰＳＤ、目標振動物理量ＰＳＤ、応答振動物理量波形、ドライブ波形に基づいて、ドライブＰＳＤを制御するドライブＰＳＤ制御手段と、
所望の非ガウス特性を実現するように、ドライブＰＳＤから生成したスペクトルデータを逆フーリエ変換して非ガウス性ドライブ波形を算出し、これをドライブ波形とするドライブ波形算出手段として機能させるための振動制御プログラムであって、
前記ドライブＰＳＤ制御手段は、
応答振動物理量ＰＳＤおよび目標振動物理量ＰＳＤを受けて、応答振動物理量ＰＳＤが目標振動物理量ＰＳＤに合致するように、制御用振動物理量ＰＳＤを算出する制御用振動物理量ＰＳＤ算出手段と、
前記応答振動物理量波形および前記ドライブ波形に基づいて、伝達特性を算出する伝達特性算出手段と、
前記制御用振動物理量ＰＳＤおよび伝達特性に基づいて、ドライブＰＳＤを算出するドライブＰＳＤ算出手段とを備え、
前記非ガウス性ドライブ波形は、当該非ガウス性ドライブ波形の振幅が所定値を超えないように制限されたものであり、
前記波形算出手段によって生成された非ガウス性ドライブ波形が、所定の振幅値を超えていないかどうかを判断し、超えていれば、所定の振幅値を超えていない非ガウス性ドライブ波形を得るまで、ドライブ波形算出手段による非ガウス性ドライブ波形の算出を繰り返すことを特徴とする振動制御プログラム。
請求項１～７のいずれかの装置またはプログラムにおいて、
前記振動物理量は、変位、速度、加速度またはジャークのいずれかであることを特徴とする装置またはプログラム。