JPH06229441A

JPH06229441A - 反共振型能動動吸振器

Info

Publication number: JPH06229441A
Application number: JP35927791A
Authority: JP
Inventors: Osamu Nishihara; 修西原; Masashi Yasuda; 正志安田; Yoshiro Kagami; 嘉郎各務
Original assignee: Tokkyokiki Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd; Tokkyokiki Corp
Priority date: 1991-12-26
Filing date: 1991-12-26
Publication date: 1994-08-16
Anticipated expiration: 2014-01-13
Also published as: JP2847225B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】付加系を、ハイブリッド型動吸振器における
『ダンパ機能』を排除又は小さくした反共振型とし、反
共振領域を主系の制振対象周波数領域に近付け、付加系
の特性を引き出し易くして制御を掛ける。【構成】制振対象である主系１に付加された質量２
と、質量２を支持する弾性体３とで構成され、付加系５
の減衰率を小さくして反共振点が生じるようにした反共
振型受動動吸振器に、主系１の振動を検出して主系１の
振動を減衰させるように質量２を振動させるアクチュエ
ータ６を付加した反共振型能動動吸振器７において、反
共振領域においてアクチュエータ６の制御力を小さくす
る又は制御力をなくするようにするために反共振領域に
合致したフィルタ９をアクチュエータ６の制御器８に設
けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、反共振型受動動吸振器
に能動制振機能を付加し、反共振領域においては反共振
型受動動吸振機能を十分に発揮させ、これに加えて能動
制御機能を十分に活用出来るようにした新規な反共振型
能動動吸振器に関する。

【従来の技術】

【０００２】近年、高層ビルや吊り橋、斜長橋などは増
々巨大化且つ軽量化の傾向にあり、これら構造物の制振
装置として動吸振器が注目され始め、国内外でも実際の
構造物に適用され始めて来た。又、各種機器の高性能
化、高精密化に伴って低振動化の要求が高まっており、
各種機器への動吸振器の適用も現実化して来ている。動
吸振器としては、受動型動吸振器と能動型動吸振器とが
あり、前者の受動型動吸振器としては最適同調型動吸振
器と反共振型動吸振器とがある。後者の能動型動吸振器
には、従来の型式のものから最近、新たにハイブリッド
型動吸振器なるものが提案されてきた。

【０００３】最適同調型動吸振器とは、主系の固有振動
数の近傍に動吸振器の固有振動数を調整して主系の減衰
特性を改善するものである。そして、動吸振器の固有振
動数と減衰が付加質量の大きさに応じて最適になるよう
に調整される。このような最適同調型動吸振器の制振対
象は、風や衝撃など共振点を励起するものが想定され、
実際には減衰の小さなビルや橋りょうの制振に使用され
る。

【０００４】反共振型動吸振器は、主系に正弦波状の外
乱が入力され、主系が振動している場合、その主系の振
動数に固有振動数を合わせた『ばね−質量系』を主系に
付加する事で外乱に対して主系の振動を抑制するもので
ある。この時、動吸振器は減衰を小さくする事で主系反
共振領域での主系振動を更に低減させる事ができる。動
吸振器の反共振点に主系の振動周波数が合致していれ
ば、主系の振動は抑制される。このように反共振型動吸
振器は、機械振動など一定周波数の正弦波状の外乱を対
象としているため、動吸振器と主系の連成による主系共
振点の制振には使用する事が出来ない点が前者の最適同
調型動吸振器と相違する。

【０００５】従来の能動型動吸振器は、『ばね』、『ダ
ンパ』、『アクチュエータ』、並びに制振用の『質量』
とを持ち、動吸振器の固有振動数を主系の制振対象周波
数領域から出来るだけ離し、主系の振動を検出してフィ
ードバック制御又はフィードフォワード制御によりアク
チュエータを制御して質量を振動させ、主系の振動を抑
制する。この場合、動吸振器の共振点が励起されないよ
うにする必要があり、その方法として最適レギュレータ
などを使用している。

【０００６】ハイブリッド型動吸振器は、最適同調型動
吸振器に能動機能を付加したもので、非能動制御時でも
制振効果を発揮させるようにしたものである。制御力を
弱くしパッシブに近い状態で使用すれば消費エネルギも
非常に小さくする事が出来る。前述の従来の能動型動吸
振器と比較すると、従来の能動型動吸振器では付加系を
単なる質量としてしか使用していないのに対して、ハイ
ブリッド型動吸振器では『ばね』及び『減衰』の特性も
合わせて使用している点で相違する。ただし、積極的に
動吸振器の特性を制御に利用しているという訳ではな
く、何等かの理由で制御がダウンした時にパッシブとし
て機能するという事と低ゲイン領域でメリットがあると
言うものである。一定以上に制御ゲインを高めると付加
した減衰によって多大な制御エネルギを必要とするとい
う欠点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、付加系の振動し易い領域をうまく使用して
制御機能をより優れたものとすると同時に消費エネルギ
を小さくしたいという事にあり、そのためには本発明で
は、付加系を、ハイブリッド型動吸振器における『ダン
パ機能』を排除又は小さくした反共振型とし、反共振領
域を主系の制振対象周波数領域に近付け、付加系の特性
を引き出し易くして制御を掛けるというようにしたもの
である。この時、最適レギュレータをそのまま使用する
と付加系が作り出した反共振点を制御が消してしまうと
いう問題があり、反共振領域におけるノッチをどのよう
に残して制御を行っていくかという点が本発明の技術的
ポイントである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の反共振型能動動
吸振器７の第１例は、請求項１に示すように、制振対象である主系１に付加された質量２と、質量２を支持する弾性体３とで構成され、付加系５の減衰率を小さくして反共振点が生じるよ
うにした反共振型受動動吸振器に、主系１の振動を検出
して主系１の振動を減衰させるように質量２を振動させ
るアクチュエータ６を付加した反共振型能動動吸振器７
において、反共振領域においてアクチュエータ６の制御力を小
さくする又は制御力をなくするようにするために反共振
領域に合致したフィルタ９をアクチュエータ６の制御器
８に設けた事を特徴とする。これにより、反共振領域に
おいて、反共振型受動動吸振構造によってノッチ状に発
生する反共振現象がアクチュエータ６の存在にも拘わら
ず、残存して効果的に制振作用を発揮する事になる。

【０００９】本発明の第２例として、請求項２に示す反
共振型動吸振器５は、制振対象である主系１に付加された質量２と、質量２を支持する弾性体３とで構成され、付加系５の減衰率を小さくして反共振点が生じるよ
うにした反共振型受動動吸振器に、主系１の振動を検出
して主系１の振動を減衰させるように質量２を振動させ
るアクチュエータ６を付加した反共振型能動動吸振器７
において、反共振領域において主系１の振動に関する重みを大
きくして反共振領域が拡大するようにアクチュエータ６
を制御するフィルタ10をアクチュエータ６の制御器８に
設けた事を特徴とする。これにより、反共振領域におい
て、反共振型受動動吸振構造によって発生したノッチ状
の反共振現象がアクチュエータ６の協働によって拡大さ
れ、反共振現象による制振効果をより有効に発揮させる
事になる。

【００１０】

【実施例】本発明の骨子は、付加系５の振動しやすい周
波数領域を利用して制振性能の向上を計ると同時に制御
エネルギの削減を行う点にある。そのためには、ハイブ
リッド型動吸振器の『ダンパ機能４』をなくするか小さ
くする必要があり、付加系５の受動動吸振器は反共振型
になる。反共振領域を主系１の制振対象領域に近付けて
付加系５の特性を引き出しやすくしておいて制振制御を
行う。この時、最適レギュレータをそのまま使用すると
付加系５が作り出した反共振点を逆に制御によって消し
てしまうのでいかに反共振現象によるノッチを残して制
振制御を行うかが本発明の眼目である。以下、本発明を
図示実施例に従って説明する。

【００１１】図１は主系１に、主系１の水平方向の振動
を抑制するための付加系５を装着し、付加系５を制御器
８で制御した例である。主系１及び付加系５の振動検出
は、それぞれに装着された振動センサ11によって行なわ
れ、制御器８に入力される。主系１は固有周期の長い構
造物、特に超高層ビルや橋りょうなどが揚げられ、主系
１には地面や内部装置からは絶えず外乱が入力し、又、
風など外乱によって発生する振動で周波数の低い領域か
ら高い領域まで広範囲に亘って振動が複雑に絡み合って
発生している。主系１と地面との関係はダンパ1bとばね
1aで表される。

【００１２】付加系５は、図１に示すように制振対象で
ある主系１に付加された質量２と、質量２を支持する弾
性体３並びに非常に弱い減衰(＝ダンパ機能４)とで構成
された反共振型受動動吸振器５で、これに主系１の振動
を検出して主系１の振動を制振するために質量２を振動
させるアクチュエータ６が装着されている。アクチュエ
ータ６は、主系１に固定され、質量２を振動させるもの
であればどのようなものでもよく、例えば、圧力容器と
ゴムベローズとで構成された空気ばね、リニヤモータ、
ピエゾ素子などが上げられる。

【００１３】次に第１例の制御方法を図２のブロック回
路図に従って説明する。外乱が主系１に入力すると外乱
の力に対応した振幅で振動する。この伝達関数を主系１
コンプライアンス(＝入力外乱に対する主系１振動の振
幅比){1/G₀(s)}で示す。この主系１の振動を変位・速度
などの成分で主系１に設置した振動センサ11にて検出
し、制御器８に入力する。そして、この入力信号に従っ
てアクチュエータ６を制御し、主系１の振動を抑制する
ように付加系５の質量２を振動させる。図中、アクチュ
エータ６にて振動させられる質量２の動特性を{1/μ・g
₂(s)}で示す。

【００１４】主系１と付加系５との関係を見ると、外乱
によって主系１が振動すると主系１に装着されている付
加系５も主系１と共に振動させらようとするが、付加系
５の弾性体３を介しての支持であるから付加系５独自の
応答特性に従って振動する。これは主系１の振動に応答
して振動する付加系５の動特性に従い、前記動特性は{g
₁(s)/g₂(s)}で示される。

【００１５】前記２つの動的応答が合算され、付加系５
の慣性項(μS²)を介して抑制振動として主系１に入力さ
れ、主系１の振動を抑制する。これにより主系１の振幅
が小さくなり、これを振動センサ11にてセンシングし、
前記同様の操作を繰り返して主系１の振動を抑制してい
く。

【００１６】ここで、制御器８には反共振領域において
アクチュエータ６の制御力を小さくする又は制御力をな
くするようにするために反共振領域の周波数に合致させ
て反共振領域の主系１の振動検出をカット又は抑制する
フィルタ９が設置されている。即ち、主系１に入力する
外乱周波数は高周波から低周波まで雑多な周波数が重畳
しているが、振動センサ11によって検出された主系１の
振動の内、これにより反共振領域に合致した周波数の主
系１の振動はカット乃至軽減され、アクチュエータ６の
制御がこの領域では小さいか又は行なわれず、制御エネ
ルギの軽減がなされる。そして反共振領域では、反共振
型受動動吸振器５の働きだけでアクチュエータ６の制御
をかけなくとも主系１の振動が十分小さく抑制される。
この関係を図４に示す。

【００１７】次に、第２の制御の場合を図３に従って説
明する。本実施例では反共振領域において主系１の振動
に関する重みを大きくして反共振領域が拡大且つ深くな
るようにアクチュエータ６を制御するフィルタ10がアク
チュエータ６の制御器８に設けられている。この点を詳
述すると、制御器８に設置されているフィルタ10は、主
系１制振機能を持つ制御部{H₁(s)}と付加系５の振動を
加振する制御部{H₃(s)}並びに付加系５の振動を抑制す
る制御部{H₂(s)}とで構成されている。ここでは制御部
{H₁(s)}、{H₃(s)}が重要な働きをなし、制御部{H₂(s)}
は付加的な働きをなす。

【００１８】第２制御方法では、周波数依存評価関数に
従って制御を行うもので周波数依存評価関数

【数１】の式を以下に示す。

【数１】

【００１９】前記、評価関数において、Q(s)及びR(s)を

【数２】で示す通りとし、L(s)が安定且つプロパな有理関数行
列、M(s)は正則で逆行列{Mマイナス１乗(s)}が安定且つ
プロパな有理関数行列と仮定し、L(s)を

【数３】、M(s)＝１とおくと、制御部{H₃(s)}のダイナミックス
は

【数４】となり、前記評価関数において、主系１の振動に関する
重み{L(s)}を大きくして反共振領域が拡大するようにア
クチュエータ６を制御出来ることになる。換言すれば、
反共振領域の主系１の振動を拡大してアクチュエータ６
に入力する事になり、第１制御方法よりもノッチが深く
(即ち、主系１反共振領域での主系１の振動がより低減
し)且つ拡大する事になり、主系１の制振効果をより高
めることができる。

【数２】

【数３】上式は主系変位の重みに関する式である。

【数４】上記式より、主系変位の重みが加えられて反共
振領域に合致する周波数の制御部{H₃(s)}からの出力が
拡大されて出力される事になる。

【００２０】この関係を図５に示す。図５では(r)が小
さくなる程、主系１の振動に関する重みが大きくなる事
を表しており、主系１反共振領域での主系１の振動がよ
り低減し且つ拡大する。尚、付加系５の振動制御は付加
系５に設置された振動センサ12によって検出され、これ
を制御部{H₂(s)}に入力することによってアクチュエー
タ６を制御して行う。付加系５の質量２の過振動を抑制
する働きをなす。

【００２１】{シュミレーション例}図６は主系１に衝撃
荷重を与えた場合のインパルス応答で、非制御状態なら
ば実線のように主系に振動応答が残存して緩慢な収束し
か見られないのに対して破線の制御状態では速やかな収
束が観測される。

【００２２】又、鋭いピークを有する有色外乱で加振さ
れた系を考えると、図７にあるような非制御状態では、
次第に振幅が重畳して行く現象が見られるが、制御状態
では付加質量２に作用する慣性力が外乱を相殺するよう
な制御が実現しており、主系１の振幅はほぼ定常な推移
を示す。図から過渡状態においても外乱に比べてかなり
小さな制御力ですむ事が理解される。

【００２３】又、図８は本発明の第２例による制御の場
合であり、図９は従来のハイブリッド型動吸振器による
制御例である。図中、下から正弦波外乱、制御力、主系
変位、付加系変位、エネルギ率(アクチュエータ出力と
しての絶対値)両者を比較したみると本発明方式の方が
小さい制御力(エネルギ率)でより効果的な主系１の制振
を行う事ができている事が理解される。

【００２４】

【発明の効果】本発明の第１方法は請求項１に示すよう
に、反共振型能動動吸振器において、反共振領域におい
てアクチュエータの制御力を小さくする又は制御力をな
くするようにするために反共振領域に合致したフィルタ
ーをアクチュエータの制御器に設けたので、外乱に対し
て主系が応答して振動する処の、高周波から低周波まで
雑多な重畳周波数の内、反共振領域に合致した周波数の
主系の振動をカット乃至軽減する事ができて、アクチュ
エータの制御がこの領域では小さいか又は行なわれず、
専ら反共振型動吸振機能による制御が行なわれ、その結
果制御エネルギの軽減がなされる。

【００２５】逆に本発明第２方法によれば、請求項２に
示すように、反共振型能動動吸振器において、反共振領
域において主系の振動に関する重みを大きくして反共振
領域が拡大するようにアクチュエータを制御するフィル
ターをアクチュエータの制御器に設けたので、主系の振
動に関する重みを大きくして反共振領域が拡大するよう
にアクチュエータを制御出来ることになる。換言すれ
ば、反共振領域の主系の振動を拡大してアクチュエータ
に入力する事になり、第１制御方法よりもノッチが深く
なって主系反共振領域での主系の振動がより低減し、且
つ更にノッチは拡大する事になり、主系の制振効果をよ
り高めることができる事になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる装置概念図

【図２】本発明の第１例の制御ブロック線図

【図３】本発明の第２例の制御ブロック線図

【図４】本発明の第１例の周波数伝達関数図

【図５】本発明の第２例の周波数伝達関数線図

【図６】本発明の制御例と非制御状態において主系に衝
撃荷重を与えた場合の応答の比較を表すグラフ

【図７】本発明の制御例と非制御状態において主系に不
規則な周波数の外乱を与えた場合の比較を表すグラフ

【図８】本発明の制御例に対して正弦波外乱を与えた場
合の制御グラフ

【図９】従来のハイブリッド型動吸振器に対して正弦波
外乱を与えた場合の制御グラフ

【符号の説明】

(1)…主系 (2)…質量 (3)…弾性体 (4)…付加系
のダンパー (5)…反共振型動吸振器 (6)…アクチ
ュエータ (7)…反共振型能動動吸振器 (8)…制御器 (9)…第１制御例のフィルタ (10)…第２制
御例のフィルタ (11)…主系の振動センサ (12)…付加系
の振動センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西原修京都府京都市左京区吉田本町京都大学工学部内 (72)発明者安田正志兵庫県尼崎市南初島町10番地133 特許機器株式会社内 (72)発明者各務嘉郎大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】制振対象である主系に付加された
質量と、質量を支持する弾性体とで構成され、付加系の
減衰率を小さくして反共振点が生じるようにした反共振
型受動動吸振器に、主系の振動を検出して主系の振動を
減衰させるように質量を振動させるアクチュエータを付
加した反共振型能動動吸振器において、反共振領
域においてアクチュエータの制御力を小さくする又は制
御力をなくするようにするために反共振領域に合致した
フィルターをアクチュエータの制御器に設けた事を特徴
とする反共振型能動動吸振器。
【請求項２】制振対象である主系に付加された
質量と、質量を支持する弾性体とで構成され、付加系の
減衰率を小さくして反共振点が生じるようにした反共振
型受動動吸振器に、主系の振動を検出して主系の振動を
減衰させるように質量を振動させるアクチュエータを付
加した反共振型能動動吸振器において、反共振領
域において主系の振動に関する重みを大きくして反共振
領域が拡大するようにアクチュエータを制御するフィル
ターをアクチュエータの制御器に設けた事を特徴とする
反共振型能動動吸振器。