JPH08338474A - アクティブ制振制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】センサ信号中の長周期誤差成分を除去可能で且
つ入力信号と出力信号との間の位相差を最小限に抑える
ことが可能な長周期成分除去手段を備えたアクティブ制
振制御装置を提供することを目的としている。 【構成】状態量がセンサにより検出されＡ／Ｄ変換器を
介してフィルタ５に供給される。フィルタ５は、入力し
たセンサ信号Ｘ_i から長周期成分を除去した後のセンサ
信号Ｙ_i をコントローラに供給する。フィルタ５は、対
象とする時刻直前でのセンサ信号Ｘ_i の平均値Ｅ_i を算
出する平均値算出部５ｂと、長周期成分を除去した後の
センサ信号Ｙ_i を求める演算部５ｃと、を備える。平均
値算出部５ｂは、それまでのセンサ信号Ｘ_i の平均値Ｅ
_i と新たに供給された対象時刻のセンサ信号Ｘ_i （ｋ）
とに基づき加重平均によって平均値Ｅ_i を更新する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、建物及び土木構築物等
の構造物や機械等に発生している揺れをアクティブに制
振するアクティブ制振制御装置に係り、特に、制御対象
の状態量を検出するセンサからの出力信号中に含まれる
長周期誤差成分の除去手段に特徴を有するアクティブ制
振制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のアクティブ制振制御装置は、例え
ば、図８に示すような構成となっている。即ち、制振対
象である建物１に複数のセンサ２が配設され、その各セ
ンサ２は、建物１の変位、速度、加速度等の状態量を検
出してＡ／Ｄ変換器４に供給可能となっている。該Ａ／
Ｄ変換器４は、供給されたセンサ信号をデジタル化して
コントローラ６に供給可能となっている。コントローラ
６は、供給されたセンサ信号に基づいて駆動指令電圧を
算出し、その駆動指令電圧を、Ｄ／Ａ変換器７を介して
駆動装置制御回路８に供給可能となっている。駆動装置
制御回路８では、供給された駆動指令電圧に応じた制御
信号を制振装置３に供給し、該制振装置３によって、上
記建物１の揺れを制振可能となっている。

【０００３】そして、コントローラ６が、時々刻々、セ
ンサ２から供給されるセンサ信号に基づいて駆動指令電
圧を算出し、その駆動指令電圧に応じた制御力によって
制御対象である建物１の揺れを制振する。このとき、上
記センサ２から出力されるセンサ信号には、ドリフト成
分等の長周期の誤差成分が含まれている可能性が高い。
そして、この誤差信号である長周期成分を含んだセンサ
信号に基づいて制振制御を実施すると、制御力が同一方
向に入力され続ける恐れがあり、例えば、制振装置３と
してアクティブマスダンパーを使用した場合には、マス
が一方向にのみずれ、ストローク量が許容量を越えてし
まうおそれがある。

【０００４】このため、従来のアクティブ制振制御装置
では、上記センサ信号に含まれるドリフト成分等の長周
期の誤差成分を除去するために、センサ２とＡ／Ｄ変換
器４との間にそれぞれアナログ式のハイパスフィルタ２
０を介挿し、このハイパスフィルタ２０によって、コン
トローラ６に供給されるセンサ信号中の上記誤差成分を
除去している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
アクティブ制振制御装置においては、センサ２からのセ
ンサ信号中に含まれる長周期成分を除去するために、ア
ナログ式のハイパスフィルタ２０を使用しているが、上
記ハイパスフィルタ２０は、それ自体，動特性を持って
いるため、当該ハイパスフィルタ２０を通過したセンサ
信号は、通過前のセンサ信号に比べて位相差が生じる。
例えば、図９に示すように、ハイパスフィルタ２０通過
後のセンサ信号は、センサ２への入力信号（制御対象の
振動）と比較し実測上，時間遅れが生じて、同一時刻に
おける振幅の符号が逆転する場合がある。ここで、図９
（ａ）がセンサによる観測波形を示し、図９（ｂ）がハ
イパスフィルタ２０通過後のセンサ信号を示している。

【０００６】このため、ハイパスフィルタ２０からの出
力信号を直接使用してアクティブに制振制御を行うと、
制御力の出力に時間進みが生じ、制御対象の揺れを抑制
する方向に制御力を加えるべきところが、加振する方向
に加える場合があるなど、制振が不安定化するおそれが
ある。この問題を避けるためには、従来では、例えば、
コントローラ６においてハイパスフィルタ２０の動特性
を考慮した制御演算を行い駆動指令電圧を求める等の特
別な対処が必要となるなど、上記ハイパスフィルタ２０
を通過したセンサ信号に基づいて直接，制振制御をする
ことができないという問題がある。

【０００７】本発明は、上記のような問題点に着目して
なされたもので、センサ信号中のドリフト成分等の長周
期成分を除去可能で且つ入力信号と出力信号との間の位
相差を最小限に抑えることが可能な長周期成分除去手段
を備えたアクティブ制振制御装置を提供することを目的
としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のアクティブ制振制御装置は、制御対象の状
態量を検出し該状態量に応じたセンサ信号を出力するセ
ンサと、上記センサのセンサ信号に基づいて制御量を演
算するコントローラと、コントローラが算出した制御量
に基づいて制御対象に制御力を入力するアクチュエータ
と、を備えるアクティブ制振制御装置において、上記セ
ンサとコントローラとの間に長周期成分除去手段を介挿
し、その長周期成分除去手段は、対象とする時刻前の所
定時間中に入力した上記センサ信号の平均値を求める平
均値算出部と、対象とする時刻に入力したセンサ信号か
ら上記平均値算出部で算出した平均値を引いた値を求め
る演算部とから構成されること特徴としている。

【０００９】

【作用】本発明の作用について説明する。上記平均値算
出部で算出される、対象とする時刻の直前の所定時間に
おけるセンサ信号の平均値は、対象時刻におけるセンサ
信号中のドリフト成分等の長周期成分と見なせるので、
対象とする時刻のセンサ信号から上記平均値を差し引く
ことで、対象時刻のセンサ信号から上記長周期成分が除
去される。

【００１０】また、本発明の長周期成分除去手段では、
上記のように引き算によってセンサ信号から長周期成分
を除去するので、本長周期成分除去手段における入力信
号と出力信号との間の位相差は小さく抑えられる。

【００１１】

【実施例】本発明の実施例について図面に基づいて説明
する。まず構成について説明すると、図１に示すよう
に、制御対象である構造物１の地上階、最上階、及び中
間の階等にそれぞれセンサ２が配設されている。また、
上層の階にはアクティブマスダンパーやアクティブテン
ドン等からなる制振装置３が配設されている。

【００１２】上記センサ２は、それぞれ設置位置での変
位量、速度、加速度等の外乱や制振の結果による状態量
を検出する変位計や加速度計等のセンサ２であって、検
出した状態量に応じたセンサ信号Ｘ_i をそれぞれＡ／Ｄ
変換器４に供給可能となっている。各Ａ／Ｄ変換器４
は、入力したセンサ信号Ｘ_i をデジタル化して、長周期
成分除去手段を構成するフィルタ５に供給可能となって
いる。フィルタ５は、入力したセンサ信号Ｘ_i から長周
期成分を除去したセンサ信号Ｙ_i を求め、そのセンサ信
号Ｙ_i をコントローラ６に供給可能となっている。

【００１３】上記コントローラ６は、入力したセンサ信
号Ｙ_i に基づいて制御量である駆動指令電圧Ｕを求め、
その求めた駆動指令電圧ＵをＤ／Ａ変換器７に供給可能
となっている。ここで、コントローラ６による駆動指令
電圧Ｕの算出は、例えば、供給された各状態量に応じた
センサ信号Ｙ_i に所定の制御ゲインを掛け合わせること
などによって行われる。

【００１４】Ｄ／Ａ変換器７は、入力した駆動指令電圧
Ｕをアナログ化して駆動装置制御回路８に供給可能とな
っている。該駆動装置制御回路８は、供給された駆動指
令電圧Ｕに応じた制御信号（制御電流）を制振装置３に
供給可能となっている。制振装置３は、駆動装置制御回
路８からの制御信号に応じた制御力を上記構造物１に入
力可能となっている。

【００１５】ここで、上記フィルタ５は、図２に示すよ
うに、Ａ／Ｄ変換器４からセンサ信号Ｘ_i を入力する信
号入力部５ａと、対象とする時刻前の所定時間中、つま
り対象時刻直前でのセンサ信号Ｘ_i の平均値Ｅ_i を算出
する平均値算出部５ｂと、対象時刻に入力したセンサ信
号Ｘ_i から上記平均値算出部５ｂが算出した平均値Ｅ _i
を引き算して、長周期成分を除去したセンサ信号Ｙ_i を
求める演算部５ｃと、演算部５ｃが算出したセンサ信号
Ｙ_i を出力する信号出力部５ｄと、から構成されてい
る。

【００１６】次に、上記フィルタ５における処理を、図
３に示す流れ図に基づいて説明する。まず、作動開始時
（制振開始時）に、各平均値Ｅ_i に初期平均応答値Ｅ
_iinitを設定する（ステップ１）。通常は、上記初期応
答値Ｅ_iinit はゼロとすればよい。

【００１７】次に、所定時間間隔の平均値Ｅ_i を求める
ためのカウンタｋをゼロクリアする（ステップ２）。こ
のカウンタｋは、定数Ｍとなる度にゼロクリアされる。
次に、上記カウンタｋに１を加算すると共に（ステップ
３）、信号入力部５ａが、対象時刻のセンサ信号Ｘ
_i （ｋ）を入力して（ステップ４）、そのセンサ信号Ｘ
_i （ｋ）を平均値算出部５ｂ及び演算部５ｃに供給す
る。

【００１８】次に、平均値算出部５ｂにおいて、それま
でに入力したセンサ信号Ｘ_i の平均値Ｅ_i と、新たに供
給された対象時刻のセンサ信号Ｘ_i （ｋ）とにより当該
平均値Ｅ_i を更新する（ステップ５）。この平均値Ｅ_i
の更新は、下記（１）式のような加重平均の式によって
算出する。 ここで、上記Ｊは、ｋに定数Ｍを加算した値である。

【００１９】本実施例のフィルタ５では、カウンタｋが
定数Ｍまで加算される度に当該カウンタｋをゼロクリア
するようにし、連続して入力されるＭ個のセンサ信号Ｘ
_i を平均値を求める単位として、センサ信号Ｘ_i （ｋ）
を入力する度に平均値Ｅ_i を更新する。このとき、新た
に入力したセンサ信号Ｘ_i （ｋ）の値によって更新する
平均値Ｅ_i が敏感に反応することを回避するために、上
記のように前回の平均値で重み付けをして当該平均値Ｅ
_i を更新している。

【００２０】また、上記定数Ｍの値は、「平均値Ｅ_i を
評価する時間長さ」をシステムに設定されているサンプ
リング時間で割ることで求められる値である。また、上
記「平均値Ｅ_i を評価する時間長さ」は、制御対象の周
期に応じて決定される適当な時間長さである。次に、演
算部５ｃにおいて、下記（２）式に基づいて、対象時刻
のセンサ信号Ｘ_i （ｋ）から平均値Ｅ_i を引き算して、
長周期誤差成分を除去したセンサ信号Ｙ_i を求める（ス
テップ６）。

【００２１】 Ｙ_i ＝ Ｘ_i （ｋ）−Ｅ_i ・・・（２） 次に、信号出力部５ｄにおいて、上記演算部５ｃが算出
したセンサ信号Ｙ_i をコントローラ６に出力する（ステ
ップ７）。ここで、上記ステップ３からステップ７の処
理は、センサ信号Ｘ_i を入力する度、つまりサンプリン
グ時間毎に実施される。

【００２２】なお、上記フィルタ５での処理は、各セン
サ信号Ｘ_i 単位に実施される。次に、上記のようなフィ
ルタ５を備えたアクティブ制振制御装置における作動に
ついて説明する。地震や風等による外乱が構造物１に入
力され当該構造物１が揺れると、上記外乱に対する構造
物１の各状態量がセンサ２によって検出され、検出され
た状態量が、センサ信号Ｘ_i として順次、Ａ／Ｄ変換器
４に供給されてデジタル化されつつ、フィルタ５に供給
される。

【００２３】このとき、制御対象である構造物１の実際
の状態量の時刻歴は、図４（ａ）に示すような観測波形
となっているが、センサ２によって出力される上記状態
量に応じたセンサ信号Ｘ_i は、図４（ｂ）に示すよう
に、ドリフト等の長周期誤差成分を含んだ波形となって
いる。上記センサ信号Ｘ_i が供給された上記フィルタ５
では、上記説明したように、対象時刻直前の所定時間間
隔におけるセンサ信号Ｘ_i の平均値Ｅ_i を対象時刻のセ
ンサ信号Ｘ_i （ｋ）から差し引いて、つまりドリフト等
の長周期誤差成分を除去したセンサ信号Ｙ_i を求め、当
該センサ信号Ｙ_i をコントローラ６に供給する。

【００２４】このとき、フィルタ５の平均値算出部５ｂ
で算出する平均値Ｅ_i は、図４（ｃ）に示す時刻歴のよ
うに、センサ信号Ｘ_i に含まれる長周期成分に対応する
値が算出される。そして、該フィルタ５は、図４（ｂ）
に示すような、長周期成分を含むセンサ信号Ｘ_i を入力
して、図５（ａ）に示すような、長周期成分を除去した
センサ信号Ｙ_i をコントローラ６に出力している。

【００２５】コントローラ６では、供給された各センサ
信号Ｙ_i に基づいて駆動指令電圧Ｕを求め、求めた駆動
指令電圧ＵをＤ／Ａ変換器７を介して駆動装置制御回路
８に供給する。駆動装置制御回路８では、供給された駆
動指令電圧Ｕに基づいて制振装置３を駆動し、上記駆動
指令電に応じた制御力を構造物１に入力して当該構造物
１を制振する。

【００２６】このように、本実施例では、センサ信号Ｘ
_i からのドリフト等の長周期成分を除去するために、従
来のようなハイパスフィルタを使用することなく、引き
算によって対象時刻のセンサ信号Ｘ_i （ｋ）から長周期
成分を除去しているので、センサ２での入力信号に対す
るコントローラ６に供給されるセンサ信号Ｙ_i の位相差
は小さく抑えられる。従って、上記フィルタ５から供給
されるセンサ信号Ｙ_iを直接使用して駆動指令電圧Ｕを
求めても位相遅れ又は位相進みによる制御の不安定化を
防止することができる。

【００２７】実際に、計算によってフィルタ５の出力信
号とセンサ２に入力される制御対象の振動の時刻歴を求
めてみると、図５に示すような結果となっている。図５
（ａ）はフィルタ５の出力信号であり、図５（ｂ）はセ
ンサ２の配設位置における制御対象の観測波形である。
この図５から分かるように、センサ２に入力される制御
対象の振動に対して、フィルタ５通過後のセンサ信号Ｙ
_i の時間進みは小さく、また、位相差による振幅の符号
の逆転が生じていない。即ち、上記フィルタ５を通過し
たセンサ信号Ｙ _i によって制御を行っても、常に制振方
向に制御力を入力可能なことが分かる。

【００２８】また、上記フィルタ５における出力信号と
入力信号との振幅比及び位相差を求めて見ると、図６に
示すようになった。この図６からも分かるように、位相
差が小さいことが分かる。比較のために、アナログ式の
ハイパスフィルタにおける出力信号と入力信号との振幅
比及び位相差を示すと、図７に示すようになっており、
本実施例のようなフィルタ５を採用した方が、入力信号
からドリフト成分等の長周期誤差成分を除去し、且つ、
入力信号と出力信号との間の位相差を小さく抑えること
が可能となることが分かる。

【００２９】ここで、上記フィルタ５における、平均値
Ｅ_i を求める際に使用される定数Ｍの設定について補足
する。制御信号の主要周期成分がＴ秒であるとすると、
通常、平均値を評価する時間長さはＴ秒よりも長く設定
するのが適切である。そして、例えばフィルタ５のサン
プリング周期を２５６Ｈ_Z 、平均値を評価する時間長さ
を１秒とすると、上記定数Ｍは２５６に設定される。こ
のように設定して、全周波数範囲に渡って単位振幅の成
分を持つホワイトノイズをこのフィルタ５に入力し、そ
の出力として得られる信号を計測して伝達関数を求める
と、例えば図１０に示すような結果となる。この図１０
から分かるように、上記フィルタ５によって、平均値を
評価する時間長さである１秒以上の長周期成分の振幅が
減少していることが分かる。

【００３０】なお、上記実施例のフィルタ５では、加重
平均によって対象時刻前のセンサ信号Ｘ_i の平均値Ｅ_i
を求めているが、加重平均に限定されるものではなく、
他の平均値を算出する手法に基づいて対象時刻前の所定
時間中のセンサ信号Ｘ_i の平均値Ｅ_i を求めてもよい。
また、上記実施例では、フィルタ５をコントローラ６と
は独立したものとして説明しているが、コントローラ６
の数値演算プロセッサの一部として組み込まれていても
構わない。

【００３１】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明のアク
ティブ制振制御装置においては、長周期成分除去手段に
よって、センサ信号からドリフト成分等の長周期の誤差
成分を除去する際に、入力信号と出力信との間の位相差
を小さく抑えることができるので、長周期成分除去手段
通過後のセンサ信号を補正することなく当該センサ信号
に基づいて直接制御量を算出して制振を実施しても、当
該制御が不安定化することはないという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施例のアクティブ制振制御装置
を示す構成図である。

【図２】本発明に係る実施例のフィルタの構成を示す図
である。

【図３】本発明に係る実施例のフィルタの処理概要を示
す流れ図である。

【図４】本発明に係る実施例のセンサによる観測波形、
センサの出力信号、及びフィルタで算出した平均値の各
時刻歴を示す図であり、（ａ）がセンサによる観測波形
を、（ｂ）がセンサの出力信号を、（ｃ）がフィルタで
算出した平均値をそれぞれ示している。

【図５】本発明に係る実施例のセンサによる観測波形、
及びフィルタの出力信号を示す時刻歴を示す図であり、
（ａ）がセンサによる観測波形を、（ｂ）がフィルタ出
力信号をそれぞれ示している。

【図６】本発明に係る実施例のフィルタにおける入力信
号と出力信号との振幅比及び位相差を示す図であり、
（ａ）が振幅比を、（ｂ）が位相差をそれぞれ示してい
る。

【図７】ハイパスフィルタにおける入力信号と出力信号
との振幅比及び位相差を示す図であり、（ａ）が振幅比
を、（ｂ）が位相差をそれぞれ示している。

【図８】従来のアクティブ制振制御装置を示す構成図で
ある。

【図９】従来のアクティブ制振制御装置におけるセンサ
による観測波形、及びハイパスフィルタ出力信号の時刻
歴を示し、（ａ）がセンサによる観測波形を、（ｂ）が
ハイパスフィルタ出力信号をそれぞれ示している。

【図１０】本発明に係る実施例のフィルタにおける、平
均値を評価する時間長さを１秒に設定した場合の入力信
号（ホワイトノイズ）と出力信号の伝達関数を示す図で
あり、（ａ）が位相差を、（ｂ）が振幅比をそれぞれ表
している。

【符号の説明】

１ 構造物 ２ センサ ３ 制振装置 ４ Ａ／Ｄ変換器 ５ フィルタ（長周期成分除去手段） ５ｂ 平均値算出部 ５ｃ 演算部 ６ コントローラ ７ Ｄ／Ａ変換器 ８ 駆動装置制御回路 Ｘ_i センサ信号 Ｙ_i 長周期成分除去後のセンサ信号 Ｅ_i 平均値

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 制御対象の状態量を検出し該状態量に応
   じたセンサ信号を出力するセンサと、上記センサのセン
   サ信号に基づいて制御量を演算するコントローラと、コ
   ントローラが算出した制御量に基づいて制御対象に制御
   力を入力するアクチュエータと、を備えるアクティブ制
   振制御装置において、 上記センサとコントローラとの間に長周期成分除去手段
   を介挿し、その長周期成分除去手段は、対象とする時刻
   前の所定時間中に入力した上記センサ信号の平均値を求
   める平均値算出部と、対象とする時刻に入力したセンサ
   信号から上記平均値算出部で算出した平均値を引いた値
   を求める演算部とから構成されること特徴とするアクテ
   ィブ制振制御装置。