JPH10116104A - 制振機構の制御装置 - Google Patents

制振機構の制御装置

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JPH10116104A
JPH10116104A JP26862196A JP26862196A JPH10116104A JP H10116104 A JPH10116104 A JP H10116104A JP 26862196 A JP26862196 A JP 26862196A JP 26862196 A JP26862196 A JP 26862196A JP H10116104 A JPH10116104 A JP H10116104A
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浩介 佐藤
Kohei Matsuda
宏平 松田
Tomoo Kubota
友夫 窪田
Daisuke Matsumoto
大輔 松本
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Abstract

(57)【要約】 【課題】コントローラへの入力に制御入力を追加するこ
とより、最適レギュレータの実装式とカルマンフィルタ
の実装式とを分離し、可変フィードバック、段階的マッ
プレギュレータ機能を実現し、過大振動の入力時にシリ
ンダがストロークエンドに達しないないようにする。 【解決手段】制振用マスを駆動するシリンダと、構造物
の振動に関する状態変数の状態量を求める状態量検出手
段と、この状態量に基づいて所定の状態量を推定するカ
ルマンフィルタ、及びカルマンフィルタで推定された状
態量と最適フィードバックゲインベクトルによって制御
入力を演算する最適レギュレータにより構成したコント
ローラとを備えた制振機構の制御装置において、コント
ローラ入力として検出された状態量に前記制御入力を加
え、最適レギュレータの状態量フィードバックゲインベ
クトルを独立的に構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は建物等の構造物の風
や地震による振動を抑制するアクティブ方式の制振装置
のコントローラの改良に関する。
【0002】
【従来の技術】建物等の制振装置として、建物の上層階
に制振用の可動マスを備え、このマスと建物とを油圧シ
リンダで連結しておき、地震などの揺れに対して、その
振動波と逆位相に油圧シリンダを伸縮作動させてマスを
駆動し、建物の振動を減衰して揺れを小さくするアクテ
ィブ方式の制振装置が、例えば特開平2−266139
号公報に開示されている。
【0003】この場合、建物の揺れが大きくなると、こ
れに対応してマスを大きく変位させることになるが、振
動が一定以上になるとシリンダがストロークエンドに達
し、これにより生じる衝撃で建物への衝撃振動を誘発す
ることがある。そこで、この従来装置では制振装置のコ
ントローラに最適フィードバック理論を適用し、建物に
過大な振動が入力された場合でもシリンダがストローク
エンドに達しないようにするため、次のようにしてい
る。
【0004】一つは、マスの変位がシリンダのストロー
クエンドに近づくにしたがい、状態フィードバックゲイ
ンベクトルをマスの変位と速度に応じて減衰率を低くす
る方向へ連続的に変化させる可変フィードバック機能で
あり、もう一つは、マスの変位と速度に応じて振動の減
衰率を強弱2段階に切換える2段(段階的)マップレギ
ュレータ機能である。
【0005】また、これとは別に特開平7−29303
8号公報には、上記したコントローラの最適フィードバ
ック理論にカルマンフィルタ理論を併合することによ
り、設計時に無視した建物モデルの高次モードに起因す
る振動及び作動油の圧縮性あるいはサーボ弁の応答性に
起因しての発振を抑制し、同時に風などの長周期外乱に
よるマスの有効ストロークの減少を抑制しながらも、製
造コストの増大を抑制したコントローラが提案されてい
る。
【0006】いま、これを説明すると、図4において、
1は構造物(建物)、2は制振用のマス(可動マス)
で、マス2は建物1の上層階において水平方向に自由に
移動可能に構成される。マス2は建物1に連結した油圧
シリンダ3により、建物1に入力する振動の大きさ、方
向に応じて逆位相に駆動される。油圧シリンダ3はサー
ボ弁4により図示しない油圧源からの作動油が給排さ
れ、マス2を水平面で駆動する。サーボ弁4の作動を制
御するためにコントローラ10が備えられる。コントロ
ーラ10には建物1の振動特性を検出するために速度セ
ンサ7からの信号と、マス2の変位を検出する変位セン
サ8から信号が入力する。コントローラ10は建物1の
振動を打ち消すように、これと逆位相の特性をもって油
圧シリンダ3を伸縮動作させるようにサーボ弁4に指令
信号を出力する。
【0007】図5はコントローラ10を連続時間系の制
御系で構成したときの制御要素のブロック図である。
【0008】
【数1】
【0009】なお、Kは制御対象Apppから最適制
御理論により計算されるフィードバックゲイン行列、L
は同じくと外乱条件からカルマンフィルタ理論により計
算されるフィルタゲイン行列である。
【0010】また、図6はコントローラに実装するため
に、図5を双一次変換で離散時間系で構成した制御要素
のブロック図である。
【0011】
【数2】
【0012】
【発明が解決しようとする課題】ところで、先の公開に
よる可変フィードバック及び2段マップレギュレータ機
能を、後の公開の最適フィードバック理論にカルマンフ
ィルタ理論を併合させた併合系で実現するには、状態フ
ィードバックゲインベクトルを非線形に変化できるよう
に、独立したマトリクス形式で構成する必要がある。
【0013】しかし、連続時間系での制御系をコントロ
ーラに実装するために、双一次変換で離散時間近似させ
た併合系の構成では、状態フィードバックゲインベクト
ルが独立に陽に現れないため、可変フィードバック及び
2段マップレギュレータ機能を実現することができな
い。したがってこの場合、制御中の可動マスの位置や速
度にかかわらず一定の状態フィードバックゲインベクト
ルを用いるために、過大振動の入力時にシリンダがスト
ロークエンドに達するのを防止することができなかっ
た。
【0014】本発明はコントローラへの入力に制御入力
を追加することより、最適レギュレータの実装式とカル
マンフィルタの実装式とを分離し、可変フィードバッ
ク、段階的マップレギュレータ機能を実現し、過大振動
の入力時にシリンダがストロークエンドに達しないない
ようにすることを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】第1の発明は、構造物に
入力する振動方向に運動可能な制振用マスと、構造物に
連結されていてこの制振用マスを駆動するシリンダと、
構造物の振動に関する状態変数の状態量を求める状態量
検出手段と、この検出された状態量に基づいて所定の状
態量を推定するカルマンフィルタ及び、カルマンフィル
タで推定された状態量と最適フィードバックゲインベク
トルによって制御入力を演算する最適レギュレータによ
り構成されるコントローラと、この制御入力に基づいて
シリンダの駆動を制御する制御手段とを備えた制振機構
の制御装置において、前記コントローラ入力として前記
検出された状態量に加えて前記制御入力を入力するよう
にして、最適レギュレータの状態量フィードバックゲイ
ンベクトルを独立的に構成した。
【0016】第2の発明は、第1の発明において、前記
最適レギュレータの制御則における状態量フィードバッ
クゲインベクトルに、制振用マス変位がシリンダストロ
ークエンド方向に向かうにしたがって減衰率の低い係数
に連続的に切換える可変フィードバック機能を付加し
た。
【0017】第3の発明は、第1の発明において、前記
最適レギュレータの制御則における状態量フィードバッ
クゲインベクトルを、制振用マスの変位と速度に応じて
複数段の減衰率のフィードバック係数に切換える複数段
マップレギュレータ機能を付加した。
【0018】
【作用・効果】第1の発明においては、コントローラ入
力として検出された状態量に加えて、最適レギュレータ
により演算される制御手段に対する制御入力を追加する
ので、最適レギュレータの状態量フィードバックゲイン
ベクトルを独立的に変化させられ、このためフィードバ
ックゲインベクトルを制振用マスの情報に応じて可変に
することが可能で、制振用マスの振動状況に応じてアク
チュエータによる減衰特性を自由に変えることができ、
最適な制振作用を発揮することができる。
【0019】第2の発明では、制振用マス変位がシリン
ダストロークエンド方向に向かうにしたがって減衰率の
低い係数に連続的に切換えるので、ストロークの途中か
ら減衰力が連続的に変化していき、シリンダのストロー
クエンドに達するのを確実に防止することができ、その
ときの衝撃を回避できる。
【0020】第3の発明では、制振用マスの変位と速度
に応じて減衰率を段階的に切換えることができ、制振用
マスのストロークがそれほどでなくても速度の大きいと
きは、そのままストロークエンドに達する恐れがあるの
で、そのようなときには早めに減衰率を切換えることに
より、ストロークエンドに達することのないように制御
することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図にしたがって説
明する。図1は、図4におけるコントローラの部分の制
御ブロック図である。
【0022】この制振機構用のコントローラは、制御則
にカルマンフィルタと最適レギュレータを併用したもの
であり、図1は制御系を連続時間系で構成したものを示
している。
【0023】この制御系を構成する制御要素は以下のよ
うに表される。
【0024】
【数3】
【0025】ここで、コントローラのモデル式を説明す
る。制御対象をモデル化するにあたり、前述した図4に
おいて、建物1、制振用マス2、シリンダ3、サーボ弁
4などからなる制御対象モデルは、建物変位xs、シリ
ンダストロークy、サーボ弁指令電流iとして、Ap,
Bp,Cp(定数行列)を用いると次のように表現され
る。
【0026】
【数4】
【0027】ここで、図5において、フィードバックゲ
イン行列KはAc1,Cc1の2つにブロックに表れて
いるが、図1においてはフィードバックゲイン行列Kは
1つのブロックに集約されている。この図5から図1へ
の変換過程を示すと次のようになる。まず、図5は式
(3)で表すことができる。
【0028】
【数5】
【0029】したがって、式(7)(8)をブロック図
にすると、図1のようになり、式(8)の最適レギュレ
ータが計算した制御入力uを式(7)のカルマンフィル
タが再び入力することにより、図1が得られる。
【0030】このようにして、コントローラの入力に制
振用マスの変位及び建物の振動速度に加えて制御入力u
を追加することで、最適レギュレータ部分のブロックK
が独立に存在するため、このKを制振用マスの情報、例
えば変位や速度などに応じて可変とすることができる。
【0031】次に、図2は、制御系の構成を、図1で示
す連続時間系から双一次変換などの離散化手法により離
散時間近似させた離散時間系で構成した場合のブロック
図である。
【0032】その制御系を構成する制御要素は次のとお
りである。
【0033】
【数6】
【0034】ここで、このコントローラの実装式を示
す。
【0035】
【数7】
【0036】このようにしてコントローラを離散時間系
で構成しても、最適レギュレータ部分のブロックKが独
立に存在する構成とすることができる。ただし、この場
合、制御入力uは1サンプル前に対応する前回の値u
[k−1]を取り扱うことになる。したがって、この離
散時間系にあっても、Kが独立することにより、制振用
マスの情報によって最適レギュレータの状態フィードバ
ックゲインベクトルKを動的に変化させることが可能と
なる。
【0037】この結果、例えば、制振用マス変位がシリ
ンダストロークエンド方向に向かうにしたがって減衰率
の低い係数に連続的に切換える、可変フィードバック機
能とすることにより、ストロークの途中から減衰力が連
続的に変化していき、シリンダのストロークエンドに達
するのを防止することが可能となり、これによりストロ
ークエンドに達したときに発生する衝撃を確実に回避で
きる。
【0038】また、制振用マスの変位と速度に応じて減
衰率を段階的に切換える、段階的マップレギュレータ機
能を付与し、例えば、制振用マスのストロークがそれほ
どでなくても速度の大きいときは、そのままストローク
エンドに達する恐れがあるので、そのようなときには早
めに減衰率を切換えることにより、ストロークエンドに
達することのないように制御することが可能となる。
【0039】次に図3の実施形態を説明すると、これは
連続時間系で構成されたコントローラ(図1)を、δ演
算子を用いて離散時間近似させたときの制御系のブロッ
ク図である。
【0040】このときの制御要素については以下のとお
りである。
【0041】
【数8】
【0042】ここでも図2と同じようなコントローラの
構成を実現でき、つまり、コントローラへの入力信号に
前回の制御量の情報を追加することで、最適レギュレー
タの実装式とカルマンフィルタの実装式とを分離し、可
変フィードバック機能と段階的マップレギュレータ機能
を付与し、シリンダがストロークエンドに達することの
ないように制御することができる。なお、この場合には
制御演算精度の一層の向上を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態のコントローラのブロ
ック図である。
【図2】同じく第2の実施形態のコントローラのブロッ
ク図である。
【図3】同じく第3の実施形態のコントローラのブロッ
ク図である。
【図4】従来の制振機構の全体的構成を示すブロック図
である。
【図5】同じくそのコントローラのブロック図である。
【図6】同じく他のコントローラのブロック図である。
【符号の説明】
1 建物 2 制振用マス 3 油圧シリンダ 4 サーボ弁 7 速度センサ 8 変位センサ 10 コントローラ
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI G05D 19/02 G05D 19/02 D (72)発明者 窪田 友夫 東京都港区浜松町二丁目4番1号 世界貿 易センタービル カヤバ工業株式会社内 (72)発明者 松本 大輔 東京都港区浜松町二丁目4番1号 世界貿 易センタービル カヤバ工業株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】構造物に入力する振動方向に運動可能な制
    振用マスと、構造物に連結されていてこの制振用マスを
    駆動するシリンダと、構造物の振動に関する状態変数の
    状態量を求める状態量検出手段と、この検出された状態
    量に基づいて所定の状態量を推定するカルマンフィルタ
    及び、カルマンフィルタで推定された状態量と最適フィ
    ードバックゲインベクトルによって制御入力を演算する
    最適レギュレータにより構成されるコントローラと、こ
    の制御入力に基づいてシリンダの駆動を制御する制御手
    段とを備えた制振機構の制御装置において、前記コント
    ローラ入力として前記検出された状態量に加えて前記制
    御入力を入力するようにして、最適レギュレータの状態
    量フィードバックゲインベクトルを独立的に構成したこ
    とを特徴とする制振機構の制御装置。
  2. 【請求項2】前記最適レギュレータの制御則における状
    態量フィードバックゲインベクトルに、制振用マス変位
    がシリンダストロークエンド方向に向かうにしたがって
    減衰率の低い係数に連続的に切換える可変フィードバッ
    ク機能を付加した請求項1に記載の制振機構の制御装
    置。
  3. 【請求項3】前記最適レギュレータの制御則における状
    態量フィードバックゲインベクトルを、制振用マスの変
    位と速度に応じて複数段の減衰率のフィードバック係数
    に切換える複数段マップレギュレータ機能を付加した請
    求項1に記載の制振機構の制御装置。
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