(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の振動方向に運動可能な付加マスと、
この付加マスを駆動するアクチュエータと、
構造物の変位、付加マスの変位、その他の構造物の振動に関する状態変数の状態量を求める状態方程式の係数行列を演算する係数行列演算手段と、
最適レギュレータ理論に基づいて演算した最適フィードバックベクトルから制御入力を演算する制御入力演算手段と、
この制御入力により前記アクチュエータを駆動する手段とを備えた制振装置において、
前記係数行列演算手段の係数行列から最適レギュレータ理論に基づく最適フィードバックベクトルを演算する手段と、
前記最適フィードバックベクトルを用いたときの制御系の極を演算する手段と、前記極に基づく固有振動数を演算する固有振動数演算手段と、
予め設定した制御振動数と前記固有振動数とを比較して固有振動数が制御振動数を越える極を判定する手段と、
前記判定された極の固有振動数が前記制御振動数に近付くように設定された値に極を再配置するとともにそのときのフィードバックベクトルを演算する手段と、構造物の変位、付加マスの変位、その他の構造物の振動に関する状態変数の状態量を求める状態変数検出手段と、
前記制御入力演算手段がこれら再配置された極に基づくフィードバックベクトルと前記状態変数検出手段からの状態変数に応じて制御入力を演算することを特徴とする制振装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、地震や風等の外力による構造物の振動を低減する制振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
構造物に振動低減用のコントロールデバイスを備えるとともに、外部からエネルギの供給を受けて積極的に振動の低減を図る制振装置としては、特開昭６３−２１７０７５号公報に開示されるように、構造物上に載置した付加マスをアクチュエータで変位させることにより風や地震などの外力による構造物の揺れを抑制するものが知られている。
【０００３】
これについて説明すると、図２、図３において、構造物１の上部には制振装置が設置され、底部に車輪１０を有するほぼ直方体の付加マス２が構造物１の最上部の床上に移動可能に配設される。
【０００４】
付加マス２の周面には図中上下左右から複動型の油圧シリンダ６が連結され、この油圧シリンダ６のロッド７の一端が付加マス２を囲むように構造物１に立設した壁８に連結されるとともに、油圧ユニット９から供給された圧油に応じて油圧シリンダ６が付加マス２を駆動する。
【０００５】
図７は図２、３で示した制御装置を制御対象とする制御モデルである。ただし、簡略化のために付加マス２は１本のシリンダ６で移動するようになっている。実際の装置では、構造物１、付加マス２が図２において例えば水平方向に揺れれば、図７のモデルでは上下方向に振動することになる。
【０００６】
構造物１と付加マス２には状態量を検出する手段としての変位センサ１１、１２がそれぞれ設けられ、状態量として構造物１の絶対変位ｘ１、付加マス２の絶対変位ｘ２がそれぞれ検出される。
【０００７】
絶対変位ｘ１、ｘ２は構造物１、付加マス２がそれぞれ中心位置にある場合を０として正負の値をとるようにする。
【０００８】
これら変位センサ１１、１２からの信号は、状態変数設定部３１、演算部３２′から構成されるコントローラ３０に入力される。
【０００９】
状態変数設定部３１では構造物１及び付加マス２の絶対変位ｘ１、ｘ２から構造物１と付加マス２の相対変位ｘ２’を減算器３３で演算するとともに、微分器Ｓ１、Ｓ２ではこの相対変位ｘ２’と絶対変位ｘ１とから構造物１の絶対速度ｖ１及び構造物１と付加マス２の相対速度ｖ２’が演算される。
【００１０】
こうして演算された状態変数（絶対変位ｘ１、絶対速度ｖ１、相対変位ｘ２’、相対速度ｖ２’）は演算部３２′へ入力されて、各状態変数毎に演算された最適フィードバックベクトルＦ＝［ｆ１  ｆ２  ｆ３  ｆ４］を乗じ、これら乗算値をそれぞれ加算した制御入力ｕを次式により算出する。
【００１１】
ｕ  ＝  ｆ１ｘ１＋ｆ２ｘ２  ’＋ｆ３ｖ１＋ｆ４ｖ２’      …（１）
この最適フィードバックベクトルＦは最適レギュレータ理論に基づいて、その評価関数が最小となるように演算されたものであり、この最適レギュレータ理論に基づく最適フィードバックベクトルＦ及び評価関数の算出方法については次のような書籍において周知のものである。
【００１２】
１．「システム制御理論入門」  第１５７頁〜１６０頁（１９７９年１２月１５日実教出版株式会社刊、小郷  寛、美多  勉著）
こうして演算された最適フィードバックベクトルに基づいてコントローラ３０から出力される制御入力ｕは、サーボ弁１３のスプール１４を駆動するソレノイド１５に通電される。
【００１３】
サーボ弁１３の図中上方に位置する３つのポートのうち、中央のポート１６がポンプＰ（図示せず）に、左右のポート１７、１８がタンクＴ（図示せず）にそれぞれ連通する。また、図中下方に位置する２つのポート１９、２０がそれぞれシリンダ６の上下の油室と連通する。
【００１４】
図７において、構造物１が地震や風などの外力を受けて図中上方向（図２における右方向）へ揺れ始めると、変位センサ１１、１２で検知した信号をコントローラ３０に入力して制御入力ｕを演算する。
【００１５】
制御入力ｕはソレノイド１５に通電され、サーボ弁１３のスプール１４が図２に示した位置まで右方向へ駆動される。この状態ではシリンダ６の下方の油室にポート１３、２０を介して作動油が供給される一方、上方の油室の作動油がポート１９、１８を介してタンクＴに戻されるので、シリンダ６内のピストンが押し上げられる。
【００１６】
つまり、この油圧シリンダ６のロッド７が付加マス２を構造物１の動きに遅れて同じ側である上方へと移動させる。一方、これとは逆に構造物１が下方に揺れると、制御入力ｕの符号が反対になるので、スプール１４が図中左側へに摺動して付加マス２が下方へと駆動される。
【００１７】
ここに、付加マス２を動かすことによって発生する反力が、構造物１に加えられた外力に対抗して反対方向となるので構造物１の振動が抑制され、最適の制振制御を行うものである。
【００１８】
また、上記のものが構造物１を１質点で取り扱うのに対し、特開昭６３−２８０１５９号公報に開示されるように構造物を２質点として取り扱うことにより、構造物の２次振動モードまでを抑制するものが知られている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の装置では制御系のモデル化の際に２次を超える高次振動モードを無視して簡素化し、さらに作動油の圧縮性やサーボ弁１３の応答遅れ及び非線形特性を考慮していないため、無視した高次振動モードによって発振する場合があり、また、図８（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、構造物１に加振入力が加わった場合、制御入力ｕに基づいて付加マス２が駆動されることにより振動は収束する方向に向かうが、付加マス２と油圧シリンダ６内の作動油の圧縮性により構成されたバネ・マス系の固有振動数及びサーボ弁１３の応答遅れに基づく発振を生じて制御系が不安定になる場合があった。
【００２０】
そこで本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、制御系の次数を高めることなく構造物の高次振動モード、作動油の圧縮性及びサーボ弁の応答特性に起因する発振を抑制可能な制振装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、図１に示すように、構造物の振動方向に運動可能な付加マス６０と、この付加マス６０を駆動するアクチュエータ５９と、構造物の変位、付加マス６０の変位、その他の構造物の振動に関する状態変数の状態量を求める状態方程式の係数行列を演算する係数行列演算手段５０と、最適レギュレータ理論に基づいて演算した最適フィードバックベクトルから制御入力を演算する制御入力演算手段５７と、この制御入力により前記アクチュエータ５９を駆動する手段５８とを備えた制振装置において、前記係数行列演算手段５０の係数行列から最適レギュレータ理論に基づく最適フィードバックベクトルを演算する手段５２と、前記最適フィードバックベクトルを用いたときの制御系の極を演算する手段５３と、前記極に基づく固有振動数を演算する固有振動数演算手段５４と、予め設定した制御振動数と前記固有振動数とを比較して固有振動数が制御振動数を越える極を判定する手段５５と、前記判定された極の固有振動数が前記制御振動数に近付くように設定された値に極を再配置するとともにそのときのフィードバックベクトルを演算する手段５６と、構造物の変位、付加マス６０の変位、その他の構造物の振動に関する状態変数の状態量を求める状態変数検出手段５１と、前記制御入力演算手段５７がこれら再配置された極に基づくフィードバックベクトルと前記状態変数検出手段５１からの状態変数に応じて制御入力を演算する。
【００２２】
【作用】
したがって、最適レギュレータ理論に基づいて演算された最適フィードバックベクトルの極のうち、制御振動数を越える極についてその極の固有振動数が制御振動数に近付くように極の再配置を行った後、この再配置された極に基づいて最適フィードバックベクトルを演算し、極の再配置後の最適フィードバックベクトルから演算された制御入力ｕによりアクチュエータを駆動するようにしたため、制御系の応答遅れや構造物の高次振動モードによる発振を防ぐことができる。
【００２３】
【実施例】
図２〜図４に本発明の実施例を示す。
【００２４】
図２、図３に示すように構造物１の上部に配設された制振装置は前記従来例と同様に構成され、油圧ユニット９から供給された圧油に応じてアクチュエータとしての油圧シリンダ６が付加マス２を駆動するもので、重複説明を省略する。
【００２５】
図４は図２、図３で示した制御装置を制御対象とする制御モデルで、前記従来例に示した図７と同様に構成されるもので、コントローラ３０の演算部３２′を演算部３２に置き換えたものである。以下、演算部３２を中心としたコントローラ３０の制御動作について詳述し、前記図７と同一のものについては同一の図番を付して重複説明を省略する。
【００２６】
構造物１と付加マス２には状態量を検出する手段としての変位センサ１１、１２がそれぞれ設けられ、状態量として構造物１の絶対変位ｘ１、付加マス２の絶対変位ｘ２がそれぞれ検出され、絶対変位ｘ１、ｘ２は構造物１、付加マス２がそれぞれ中心位置にある場合を０として正負の値をとるようにする。
【００２７】
これら変位センサ１１、１２からの信号は、状態変数設定部３１、演算部３２から構成されるコントローラ３０に入力される。
【００２８】
状態変数設定部３１では構造物１及び付加マス２の絶対変位ｘ１、ｘ２から構造物１と付加マス２の相対変位ｘ２’を減算器３３で演算するとともに、微分器Ｓ１、Ｓ２ではこの相対変位ｘ２’と絶対変位ｘ１とから構造物１の絶対速度ｖ１及び構造物１と付加マス２の相対速度ｖ２’が演算される。
【００２９】
こうして演算された状態変数（絶対変位ｘ１、絶対速度ｖ１、相対変位ｘ２’、相対速度ｖ２’）は演算部３２へ入力されて、各状態変数毎に前記従来例と同様に演算された最適フィードバックベクトルＦ＝［ｆ１  ｆ２  ｆ３  ｆ４］を乗じ、これら乗算値をそれぞれ加算した制御入力ｕを前記従来例の（１）式と同様にして算出する。
【００３０】
ここで、求められた最適フィードバックベクトルＦからこのベクトルの固有値であるレギュレータの極（μ１、μ２、μ３、μ４）をそれぞれ求める。
【００３１】
この極μ１〜μ４の算出方法及び後述する極の配置方法については、前記周知例（「システム制御理論入門」）の第１１５頁〜１１８頁に開示されているのでここでは詳述はしない。なお、最適フィードバックベクトルＦを用いたときの極がμ１〜μ４とする。
【００３２】
演算部３２ではこれら極μ１〜μ４に基づく固有振動数ω１〜ω４を演算するとともに、あらかじめ設定した制御振動数ωｋを越えた極ωｉ（ただし、ｉ＝１〜４）について再配置を行うもので、以下、一例として、構造物１及び制御系の所定の数値を代入した最適フィードバックベクトルＦの演算結果が次のような値になった場合について説明する。
【００３３】
ｆ１＝９２．９３
ｆ２＝−３．１６
ｆ３＝−１５．７４
ｆ４＝−０．６２２
このときの極μ１〜μ４はそれぞれ次のようになる。
【００３４】
μ１＝−０．６８９＋２．６７ｊ
μ２＝−０．６８９−２．６７ｊ
μ３＝−２．２１７
μ４＝−２１．０１
そして、これら極μ１〜μ４に対応する固有振動数ω１〜ω４の演算を制御系の伝達関数に基づいて行うと、固有振動数ω１〜ω３が１Ｈｚ未満となるのに対し、固有振動数ω４＝３．３４Ｈｚとなる。一般的に最適レギュレータ理論により得た極においては、絶対値の大きく突出した極が残る場合がある。
【００３５】
ここで、例えば、構造物１の固有振動数＝０．４５Ｈｚとし、油圧シリンダ６と付加マス２からなるバネ・マス系の固有振動数＝約４．１Ｈｚである場合、目標の制御振動数ωｋ＝１Ｈｚに設定したとする。
【００３６】
演算した固有振動数ω１〜ω４とこの制御振動数ωｋとの比較を行うと固有振動数ω４のみが制御振動数ωｋを越えるため、この突出した極μ４について固有振動数ω４が制御振動数ωｋに近付くように補正し、例えば、極μ４＝−７．０，固有振動数ω４＝１．１１Ｈｚとする一方、他の極μ１〜μ３についてはそのままの値を保持する。
【００３７】
ここで極の補正はゲイン特性が所定値以下、例えば、−３ｄＢ以下となるように補正してもよい。
【００３８】
すなわち、再配置された極μ１′〜μ４′は次のようになる。
【００３９】
μ１′＝μ１＝−０．６８９＋２．６７ｊ
μ２′＝μ２＝−０．６８９−２．６７ｊ
μ３′＝μ３＝−２．２１７
μ４′＝−７．０
こうして得られた極μ１′〜μ４′に基づいて最適フィードバックベクトルＦ′＝［ｆ１′  ｆ２′  ｆ３′  ｆ４′］を演算すると次のようになる。
【００４０】
ｆ１′＝３５．６１
ｆ２′＝−１．０５
ｆ３′＝−２．４９
ｆ４′＝−０．７０
再配置された極から算出された最適フィードバックベクトルＦ′より次式に基づいて制御入力ｕが決定される。
【００４１】
ｕ  ＝  ｆ１’ｘ１＋ｆ２’ｘ２’＋ｆ３’ｖ１＋ｆ４’ｖ２’      …（２）
この（２）式で得られた制御入力ｕに基づいてサーボ弁１３を駆動すると、図５（Ａ）に示すような加振入力に対して図５（Ｂ）に示すように付加マス２を駆動することにより振動を円滑に減衰するとともに、油圧シリンダ６の圧力は図７（Ｃ）に示すように振動減衰後に発振することがなくなり、前記従来例に示した図７（Ｃ）のように、サーボ弁１３の応答遅れや構造物１の高次振動モードあるいは作動油の圧縮性に起因する発振を防止することが可能となり、制振装置の駆動を安定して行うことが可能となるのである。
【００４２】
このようにして、最適レギュレータ理論に基づいて演算された最適フィードバックベクトルＦの極のうち、制御振動数を越える極についてのみ補正を行うとともに極の再配置を行ってから最適フィードバックベクトルＦ′を演算し、この最適フィードバックベクトルＦ′に基づいて制御入力ｕを演算するようにしたため、サーボ弁１３の応答遅れや構造物１の高次振動モードあるいは作動油の圧縮性による発振を防いで安定した制御を行うことが可能となり、油圧シリンダ６の圧力や構造物１の高次振動モードを直接検出する必要がないために、装置を簡素に構成することが可能となって製造コストの増大を抑制することができる。
【００４３】
図６は他の実施例を示し、前記第１実施例におけるコントローラ３０をマイクロコンピュータにより構成した場合の制御の一例を示すフローチャートであり、以下フローチャートに基づいて詳述する。
【００４４】
ステップＳ１では変位センサ１１、１２が検出した構造物１の絶対変位ｘ１、付加マス２の絶対変位ｘ２に基づいて構造物１と付加マス２の相対変位ｘ２’、相対変位ｘ２’と絶対変位ｘ１とから構造物１の絶対速度ｖ１及び構造物１と付加マス２の相対速度ｖ２’が演算される。
【００４５】
ステップＳ２ではこうして演算された状態変数（絶対変位ｘ１、絶対速度ｖ１、相対変位ｘ２’、相対速度ｖ２’）より前記従来例と同様にして最適フィードバックベクトルＦ＝［ｆ１  ｆ２  ｆ３  ｆ４］を演算する。
【００４６】
次いで、最適フィードバックベクトルＦよりこれらベクトルの固有値であるレギュレータの極μ１、μ２、μ３、μ４を前記第１実施例と同様にしてそれぞれ求めるとともに、これら極μ１〜μ４に基づく固有振動数ω１〜ω４を演算する（ステップＳ３、Ｓ４）。
【００４７】
ステップＳ５では前記第１実施例と同様にして予め設定した制御振動数ωｋを越えた極μｉ（ただし、ｉ＝１〜４）を判定し、固有振動数ωｉが制御振動数ωｋを越える極μｉについてステップＳ６で前記第１実施例と同様に再配置を行う。
【００４８】
ステップＳ７では再配置された極に基づく最適フィードバックベクトルＦ′を演算した後、前記（２）式に基づいて制御入力ｕの演算を行う（ステップＳ８）。
【００４９】
こうして演算された制御入力ｕによりステップＳ９でサーボ弁１３を駆動した後、ステップＳ１０で状態変数を検出してステップＳ８の制御入力ｕを演算することにより、前記第１実施例と同様に制御系の発振を抑制しながら安定した制振制御を行うことが可能となるのである。
【００５０】
なお、上記ステップＳ１〜Ｓ７は制振装置の諸定数が変化したときにのみ実行される一方、ステップＳ７でのフィードバックベクトルに基づいてステップＳ８〜Ｓ１０が実行されるものである。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、最適レギュレータ理論に基づいて演算された最適フィードバックベクトルＦの極のうち、制御振動数を越える極についてのみ補正を行うとともに極の再配置を行ってから最適フィードバックベクトルＦ′を演算し、この最適フィードバックベクトルＦ′に基づく制御入力ｕによりアクチュエータを駆動するようにしたため、制御系の応答遅れや構造物の高次振動モードによる発振を防いで安定した制御を行うことが可能となり、アクチュエータの圧力や構造物の高次振動モードを直接検出する必要がないために、装置を簡素に構成することが可能となって製造コストの増大を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のクレーム対応図である。
【図２】本発明の実施例を示す概略構成図である。
【図３】同じく平面図である
【図４】同じく制御モデルのブロック図である。
【図５】構造物の減衰特性を示す図であり、（Ａ）は構造物の絶対変位を、（Ｂ）は付加マスの相対変位を、（Ｃ）はシリンダに加わる圧力をそれぞれ示す図である。
【図６】制御の一例を示すフローチャートである。
【図７】従来の制御モデルのブロック図である。
【図８】従来例における構造物の減衰特性を示す図であり、（Ａ）は構造物の絶対変位を、（Ｂ）は付加マスの相対変位を、（Ｃ）はシリンダに加わる圧力をそれぞれ示す図である。
【符号の説明】
１  構造物
２  付加マス
６  シリンダ
１１、１２  変位センサ
３０  コントローラ
５０  係数行列演算手段
５１  状態変数検出手段
５２  最適フィードバックベクトル演算手段
５３  極演算手段
５４  固有振動数演算手段
５５  判定手段
５６  再配置手段
５７  制御入力演算手段
５８  駆動手段
５９  アクチュエータ
６０  付加マス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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