(57)【要約】【課題】本発明は、大規模システムや構造特性可変構造物の制御に適する局所自律型振動制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】特性が未知の部分を含む機械的構造物を制御対象とする局所自律型振動制御装置であって、制御対象上の点を表す局所システムを制御するために局所システムに力又はトルクを加えるアクチュエータ１３と、局所システムの状態を観測するセンサ１５と、センサ１５の出力に基づいて局所システムの振動特性を推定する振動特性推定器２１と、センサ１５の出力に基づいて局所システムの状態を推定する状態推定器２２と、状態推定器２２の出力信号を増幅してアクチュエータ１３を駆動するための出力信号を生成する増幅器２３と、振動特性推定器２１の出力信号に基づいて増幅器２３の増幅率を調整する増幅率調整器２４とを設けた。【選択図】　　　図１
2004054605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特性が未知の部分を含む機械的構造物を制御対象とする局所自律型振動制御装置であって、
前記制御対象上の点を表す局所システムを制御するために前記局所システムに力又はトルクを加えるアクチュエータと、
前記局所システムの状態を観測するセンサと、
前記センサの出力に基づいて前記局所システムの振動特性を推定する振動特性推定器と、
前記センサの出力に基づいて前記局所システムの状態を推定する状態推定器と、
前記状態推定器の出力信号を増幅して前記アクチュエータを駆動するための出力信号を生成する増幅器と、
前記振動特性推定器の出力信号に基づいて前記増幅器の増幅率を調整する増幅率調整器と
を設けたことを特徴とする局所自律型振動制御装置。
【請求項２】
請求項１の局所自律型振動制御装置において、前記制御対象として、可動部を有し構造特性が変化する構造特性可変構造物を用いることを特徴とする局所自律型振動制御装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２の局所自律型振動制御装置において、
前記局所システムもしくは前記制御対象の一部が、次式で表される１自由度振動システムであり、
【数１】
2004054605.tif 000011
かつ前記１自由度振動システムが、時変項を介して振動特性ω，ζ，ｂが入力され変位量が観測される構造をもつ次式で表される場合に、
【数２】
2004054605.tif 000012
前記状態推定器は次式に従って状態を推定し、
【数３】
2004054605.tif 000013
前記振動特性推定器は次式に従って振動特性を推定する
【数４】
2004054605.tif 000014
ことを特徴とする局所自律型振動制御装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２の局所自律型振動制御装置において、前記局所システムが１自由度振動システムである場合に、
前記増幅率調整器は次式により増幅率ｆを算出し、
【数５】
2004054605.tif 000015
前記増幅器は次式により前記アクチュエータに対する制御入力ｕを生成する
【数６】
2004054605.tif 000016
ことを特徴とする局所自律型振動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、局所自律型振動制御装置に関し、例えば大規模システムや、展開構造物のように構造特性が変化する制御対象の振動を制御する場合などに利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
本発明と関連のある従来技術については、例えば次の文献が知られている。
（文献１）池田，新，北森，“多変数自律分散適応制御，”　第４回自律分散システムシンポジウム，東京，ｐｐ．９−１２，　Ｊａｎ．　１９９２．
（文献２）Ｐ．　Ａ．　Ｉｏａｎｎｏｕ，　“Ｄｅｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ　Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，”　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　Ａｕｔｏｍａｔ．　Ｃｏｎｔｒ．，　ｖｏｌ．３１，　ｎｏ．４，　ｐｐ．２９１−２９８，　１９８６．
（文献３）Ｄ．　Ｔ．　Ｇａｖｅｌ　ａｎｄ　Ｄ．　Ｄ．　Ｓｉｌｊａｋ，　“Ｄｅｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ　Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ：　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，”　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　Ａｕｔｏｍａｔ．　Ｃｏｎｔｒ．，　ｖｏｌ３４，　ｎｏ．４，　ｐｐ．４１３−４２６，　１９８９．
これらの文献に示されるような従来の装置は、図３，図４のように構成されている。
【０００３】
これらの従来の装置においては、制御対象となる構造物は制御上は複数の部分に区分されている。区分されたそれぞれの部分はサブシステム（図５参照）と呼ばれている。各サブシステムには力やトルクなどの制御入力を与えるためのアクチュエータが接続されている。
【０００４】
また、サブシステムにはその変位や速度，角度，角速度などの状態値を観測するためにセンサが接続されている。増幅器は、サブシステムの状態値を増幅し、アクチュエータの発生する制御入力を決定する。増幅率調整器は、増幅器の増幅率を調整する。
システム同定器は、センサで得られる情報に基づいてサブシステムのシステム特性（Ａ，Ｂなどの特性行列）を同定する。同定された特性行列は増幅率調整器及び状態推定器に印加される。
【０００５】
状態推定器は、センサで得られる情報に基づいて、センサでは得られないサブシステムの状態値を推定する。
これらの装置は、次のような動作によりサブシステムを制御する。
（１）１つ又は複数のセンサを用いてサブシステムの変位や速度，角度，角速度などの状態値を観測する。
【０００６】
（２）図３の構成の場合には、センサで得られる情報に基づいて増幅率調整器で増幅器の増幅率を決定する。この際、他のサブシステムへの影響を考慮して増幅率を上げすぎないようにする。
（３）図４の構成の場合には、センサで得られる情報に基づいてシステム同定器がサブシステムのシステム特性（Ａ，Ｂなどの特性行列）を同定し、その結果を用いてサブシステムの出力がある規範とするシステムの出力と一致するように増幅率を決定する。
【０００７】
（４）図４の構成の場合には、状態推定器を用いて、センサでは得られないサブシステムの全状態値を推定する。
（５）アクチュエータは増幅器で増幅された状態値によって動作する。これによりサブシステムが制御される。
【０００８】
このような従来の制御装置は、全てのサブシステムにそれそれ設けられる。すなわち、サブシステム毎に分散的に制御を行い、結果として制御対象物全体に渡る制御を実現する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の装置においては、次のような問題点がある。
【００１０】
図３の構成を用いて制御する場合：
（１）各々のサブシステムのシステム特性を予め正確に同定しておく必要がある。しかしながら、大型の構造物は運用条件の違いに応じて特性が変化する。また、例えば多数の梁をリンクを介して連結した多リンク柔軟アームのように、形状の変化に伴って構造特性が変化する構造特性可変構造物を制御対象とする場合には、その特性が一定でないため、特性の正確な同定が極めて困難である。
【００１１】
（２）制御装置はそれぞれのサブシステム毎にそのシステム特性に基づいて独立した制御を行う。従って、例えば隣接する他のサブシステムから振動が入力される場合であってもその振動に対して積極的な制御を行うことが困難である。
図４の構成を用いて制御する場合：
（３）サブシステム毎に予め規範とするシステムを設計する必要があり、設計の際には他のサブシステムに対応する他の規範システムとの相互作用も考慮しなければならない。
【００１２】
（４）システム同定の際に、他のサブシステムから入力される振動の特性を考慮しないので、その振動に対して積極的に制御を行うことが困難である。
図３，図４の構成に共通の問題：
（５）制御対象は制御上、複数の領域（サブシステム）に分割されるが、分割数を少なくすると、各々のサブシステムが複雑になる。各サブシステムを単純化するためには分割数を増やす必要がある。このため、制御系の設計が複雑もしくは煩雑になる。
【００１３】
本発明は、上記の問題を解消するとともに、大規模システムや構造特性可変構造物の制御に適する局所自律型振動制御装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１は、特性が未知の部分を含む機械的構造物を制御対象とする局所自律型振動制御装置であって、前記制御対象上の点を表す局所システムを制御するために前記局所システムに力又はトルクを加えるアクチュエータと、前記局所システムの状態を観測するセンサと、前記センサの出力に基づいて前記局所システムの振動特性を推定する振動特性推定器と、前記センサの出力に基づいて前記局所システムの状態を推定する状態推定器と、前記状態推定器の出力信号を増幅して前記アクチュエータを駆動するための出力信号を生成する増幅器と、前記振動特性推定器の出力信号に基づいて前記増幅器の増幅率を調整する増幅率調整器とを設けたことを特徴とする。
【００１５】
請求項１においては、制御対象上の点である局所システムについて制御を行い、その結果として制御対象の全体の振動を制御することになる。
従来の装置では、分割された各サブシステムがシステム内のある領域であるので、それぞれのサブシステムには多数のモードが存在する。そのため、各サブシステムが非常に複雑であり制御が難しい。
【００１６】
しかし、本発明では点である局所システム毎に制御を行うので、１つの局所システムに含まれるモードは１つであり制御が容易である。制御対象が比較的規模の大きいシステムである場合には、複数の局所システムをそれぞれ独立して制御することにより、制御対象の全体の振動を制御することができる。また、規範システムを用いることなく制御対象の振動制御を実現できる。従って制御装置の設計が容易になる。
【００１７】
振動特性推定器は、前記センサの出力に基づいて局所システムの振動特性（振動数ω，減衰係数ζなど）を推定する。状態推定器は、センサによって直接取得できない局所システムの状態値を推定する。増幅率調整器は、振動特性の推定値に基づいて、局所システム内の振動が減衰するように増幅器の増幅率を調整する。
本発明では、局所システムのシステム特性とは無関係に推定した振動特性のみに基づいて制御を行うので、局所システムの正確なシステム特性を求める必要がなく、しかも局所システム外から入力される振動も考慮することができる。つまり、局所システムを制御するだけで制御対象全体の振動を制御することが可能になる。
【００１８】
請求項２は、請求項１の局所自律型振動制御装置において、前記制御対象として、可動部を有し構造特性が変化する構造特性可変構造物を用いることを特徴とする。
請求項２においては、制御対象として構造特性可変構造物を用いる。構造特性可変構造物は形状変化などに伴ってその構造特性が変化するので、それと同時に振動特性も変化する。本発明では、振動特性推定器がセンサの設置地点の振動特性を推定し、その推定結果を制御に反映するので、変化に適応した制御が実現する。
【００１９】
請求項３は、請求項１又は請求項２の局所自律型振動制御装置において、前記局所システムもしくは前記制御対象の一部が、前記第（１）式で表される１自由度振動システムであり、かつ前記１自由度振動システムが、時変項を介して振動特性ω，ζ，ｂが入力され変位量が観測される構造をもつ前記第（２）式で表される場合に、前記状態推定器は前記第（３）式に従って状態を推定し、前記振動特性推定器は前記第（４）式に従って振動特性を推定することを特徴とする。
【００２０】
請求項３においては、状態推定器及び振動特性推定器の動作に特徴がある。すなわち、振動特性を推定対象のシステムを１自由度振動システムとする。さらに、このシステムの特性は他のサブシステムからの入力を陽に含まないように記述する。
【００２１】
これにより、他のサブシステムからの入力も含めた、センサ設置地点での振動の角振動数ω，減衰係数ζ，制御入力の増幅率ｂに関する推定値が得られる。なお、この発明は次の文献４に開示された理論に基づいている。
（文献４）Ｑ．　Ｚｈａｎｇ，　“Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｏｂｓｅｒｖｅｒ　ｆｏｒ　ＭＩＭＯ　Ｌｉｎｅａｒ　Ｔｉｍｅ　Ｖａｒｙｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，”　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｒｅｐｏｒｔ　４１１１，　ＩＮＲＩＡ，　Ｊａｎ．　２００１．
なお、前記第（２）式においてΨはその成分にｑ，ｕを含むので時変項である。また、θは成分にω，ζ，ｂを含むので振動特性を表している。すなわち、請求項３においては、振動特性θが時変項であるΨを介して局所システムに入力される場合を想定している。
【００２２】
また、前記第（２）式において
ｘ＝［ｘ１　ｘ２］Ｔ
とすると、
ｘ１＝ｑ
ｄｘ２／ｄｔ＝−ω２ｑ＋ｂｕ
で表される。この場合、前記第（２）式の１行目の数式は次式で表される。
【数７】
2004054605.tif 000003
これは更に次式のように書き直すことができる。
【数８】
2004054605.tif 000004
また、上記第（８−１）式を１回微分し、第（８−２）式を代入し、ｘ１をｑに置き換えると前記第（１）式が得られる。
請求項４は、請求項１又は請求項２の局所自律型振動制御装置において、前記局所システムが１自由度振動システムである場合に、
前記増幅率調整器は前記第（５）式により増幅率ｆを算出し、
前記増幅器は前記第（６）式により前記アクチュエータに対する制御入力ｕを生成することを特徴とする。
【００２３】
請求項４においては、増幅率調整器及び増幅器の動作に特徴がある。ここで、センサの設置地点を出力とする、１自由度に縮退された制御対象あるいは構造特性可変構造物は前記第（１）式で表される。そして、前記第（５）式及び第（６）式を前記第（１）式に代入すると、制御対象あるいは構造特性可変構造物は臨界制動を行うシステムと等価になる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本発明の局所自律型振動制御装置の１つの実施の形態について、図１を参照して説明する。この形態は、請求項１〜請求項３に相当する具体例である。図１はこの形態の局所自律型振動制御装置の構成を示すブロック図である。
【００２５】
この形態では、請求項１の機械的構造物，局所システム，アクチュエータ，センサ，振動特性推定器，状態推定器，増幅器及び増幅率調整器は、それぞれ多リンク柔軟アーム１０，局所システム１６，直流電気モータ１３，歪ゲージ１５，振動特性推定器２１，状態推定器２２，増幅器２３及び増幅率調整器２４に相当する。
【００２６】
この形態では、多リンク柔軟アーム１０を制御対象とする場合を想定している。すなわち、多リンク柔軟アーム１０上に発生する振動を抑制するために本発明の局所自律型振動制御装置を用いる。
図１に示すように、多リンク柔軟アーム１０はヒンジ１２を介して互いに連結された多数の梁１１で構成され、矢印で示す方向に伸縮するように構成されている。
【００２７】
多リンク柔軟アーム１０の一端は壁などに固定され、他端にはエンドエフェクタ１４が設けてある。また、関節となる各ヒンジ１２の部分には制御用の直流電気モータ１３が設けてある。
図１の例では、いくつかの梁１１の根元付近の１点をそれぞれ局所システム１６とみなしている。また、梁１１の根元付近には歪を観測するためのセンサとして歪ゲージ１５が取り付けてある。
【００２８】
また、この例ではそれぞれの局所システム１６に対応付けて３つの制御盤２０が設けてある。各々の制御盤２０は、対応する歪ゲージ１５からの信号を入力し、対応する直流電気モータ１３を制御する。３つの制御盤２０（１），２０（２），２０（３）はそれぞれ独立した制御を行う。
各々の制御盤２０には、振動特性推定器２１，状態推定器２２，増幅器２３及び増幅率調整器２４が備わっている。
【００２９】
各制御盤２０内の振動特性推定器２１及び状態推定器２２は、歪ゲージ１５で観測された歪の信号に基づいて、該当する局所システム１６の点における振動特性及び状態値を推定する。
増幅率調整器２４は、振動特性推定器２１が推定した振動特性に基づいて適切な増幅率を決定する。増幅器２３は、状態推定器２２で推定された状態値を増幅率調整器２４の決定した増幅率に従って増幅する。増幅器２３の出力に得られる信号電圧がアクチュエータである直流電気モータ１３に印加される。
【００３０】
直流電気モータ１３は、増幅器２３から入力される電圧と等価なトルクを発生する。各直流電気モータ１３は梁１１の根元に取り付けられているので、直流電気モータ１３の発生するトルクによって各梁１１の振動が制御される。
また、各局所システム１６を制御するための歪ゲージ１５は、隣接する他の梁１１から入力される振動の影響も制御盤２０に入力するので、複数の制御盤２０は多リンク柔軟アーム１０の全体の振動を互いに協調して制御する。
【００３１】
次に各制御盤２０における状態推定器２２及び振動特性推定器２１を実現するための設計例について説明する。
ここでは、局所システム１６もしくは制御対象となる多リンク柔軟アーム１０の一部が、次式で表される１自由度振動システムであり、
【数９】
2004054605.tif 000005
かつ、時変項を介して振動特性ω，ζ，ｂが入力され変位量が観測される構造をもち、前記１自由度振動システムが次式で表される場合を想定している。
【数１０】
2004054605.tif 000006
この例では、状態推定器２２は次式に従って状態を推定する。
【数１１】
2004054605.tif 000007
また、振動特性推定器２１は次式に従って振動特性を推定する。
【数１２】
2004054605.tif 000008
まずはＬを設計する。（Ａ−ＬＣ）が安定であればよいので、次式を満たすＸを求める。
【数１３】
2004054605.tif 000009
得られたＸを用いて、次式からＬを求める。
Ｌ＝ＸＣＴ
次Γ，σを設計する。
（−ΓγＴＣＴσＣγ）が安定であればよく、
（γＴＣＴＣγ≧０）であるので、
これらの条件に基づき、Γについては（ΓＴ＝Γ＞０）を満たす行列を用い、σについては（σ＞０）となる値を用いる。
【００３２】
実際には、歪ゲージ１５で得られた電圧を所定のアナログ／ディジタル変換器で数値化し、適当な変換を行って各梁１１の角度変位を求める。このようにして求めた角度変位をｑとして前記第（１１）式及び第（１２）式に代入する。前記第（１１）式及び第（１２）式については、適当な積分方法を用いて計算結果を求めることができる。
【００３３】
これにより、状態推定器２２及び振動特性推定器２１の出力として状態ｘの推定値及び特性θの推定値が得られる。
（第２の実施の形態）
本発明の局所自律型振動制御装置の１つの実施の形態について、図２を参照して説明する。この形態は、請求項１，請求項２及び請求項４に相当する具体例である。図２はこの形態の局所自律型振動制御装置の構成を示すブロック図である。
【００３４】
この形態では、請求項１の機械的構造物，局所システム，アクチュエータ，センサ，振動特性推定器，状態推定器，増幅器及び増幅率調整器は、それぞれ展開構造物３０，局所システム１６，リアクションホイール３５，ジャイロ３６，振動特性推定器２１，状態推定器２２，増幅器２３及び増幅率調整器２４に相当する。
【００３５】
この形態では、制御対象として図２に示すような展開構造物３０を想定している。この展開構造物３０は、前述の多リンク柔軟アーム１０と同様に互いにヒンジで連結された多数の梁３１で構成されている。
また、この展開構造物３０には展開動作のために多数の展開ばね３２，展開制御モータ３３及び展開制御ワイヤ３４が設けてある。各展開ばね３２は、互いに隣接する梁３１同士の間に装着してある。展開制御モータ３３は、梁３１に連結された展開制御ワイヤ３４を駆動する。
【００３６】
従って、展開ばね３２の力及び展開制御モータ３３で制御される展開制御ワイヤ３４の長さによりこの展開構造物３０の展開状態が決定される。
この展開構造物３０上の複数箇所には、角速度を観測するためのセンサとしてジャイロ３６がそれぞれ設置してある。また、各々のジャイロ３６と同一の位置には振動を制御するためのアクチュエータとしてリアクションホイール３５が取り付けてある。
【００３７】
なお、リアクションホイール３５はある程度の重さをもつ円盤と電気モータとで構成されている。この電気モータで円盤を回転させると、その反動でリアクションホイール３５の取り付け位置にトルクが発生する。このトルクを利用してこの形態では振動を制御する。
それぞれのジャイロ３６で観測された角速度の電気信号は、それぞれ独立した制御盤２０に入力される。各制御盤２０の出力は、対応するリアクションホイール３５に入力される。
【００３８】
図１と同様に、各制御盤２０は振動特性推定器２１，状態推定器２２，増幅器２３及び増幅率調整器２４を備えている。
この形態では、振動特性推定器２１はジャイロ３６で観測された角速度に基づいて該当する局所システム１６の点における振動特性を推定する。また、状態推定器２２はジャイロ３６で観測された角速度に基づいて該当する局所システム１６の点における状態値を推定する。
【００３９】
増幅率調整器２４は、振動特性推定器２１が推定した振動特性に基づいて増幅率を決定する。増幅器２３は、状態推定器２２が推定した状態値を増幅率調整器２４の決定した増幅率に従って増幅する。増幅器２３の出力は電圧として対応する位置のリアクションホイール３５に入力される。リアクションホイール３５は、入力電圧と等価なトルクを発生する。
【００４０】
これにより、展開構造物３０上の各局所システム１６の点における振動が抑制される。また、振動特性推定器２１は該当する局所システム１６の点以外で発生した振動も考慮して振動特性を推定するので、各制御盤２０の出力により、展開構造物３０全体の振動が協調的に制御される。
この形態では、増幅率調整器２４は次の第（１４−１）式に相当する処理を行い、増幅器２３は次の第（１４−２）式に相当する処理を行う。
【数１４】
2004054605.tif 000010
この形態では、振動特性推定器２１の出力に振動特性として角振動数ω，減数係数ξ及び制御入力の増幅率ｂが得られることを想定しているので、これらの振動特性の値を前記第（１４−１）式に代入して増幅率調整器２４が増幅率ｆを求める。
また、状態推定器２２で得られる各梁３１の角速度（ｑの推定値の微分値）及び前記第（１４−２）式を用いて、増幅器２３はリアクションホイール３５に対する制御入力ｕを計算する。実際には、増幅器２３の出力に求めた制御入力ｕと等価な電圧を所定のディジタル／アナログ変換器を用いて生成し、その電圧をリアクションホイール３５に与える。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば点である局所システムについて振動特性を推定するので、制御対象の局所システムの外部から入力される振動についても推定が可能になる。従って、例えば大規模な構造物に対して本発明の装置を複数配置することにより、自律分散型の振動抑制が可能になる。また、大規模な構造物に対して本発明の装置を１つだけ配置する場合には、構造物に発生する複数の振動を順次に制御することができる。
【００４２】
また、本発明では局所システムの振動特性を推定する振動特性推定器を備えることにより、構造特性可変構造物に発生している支配的な振動の振動特性を推定可能になる。従って、本発明の装置を構造特性可変構造物に複数配置することにより、構造物の自律分散型の振動抑制が可能になる。
また、本発明の装置を構造特性可変構造物に１つだけ配置する場合には、構造物に発生する複数の振動を順次に制御することができる。更に、構造物の構造特性が変化した場合であっても、変化後の振動を振動特性推定器で推定できるので、構造物の振動制御が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の局所自律型振動制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第２の実施の形態の局所自律型振動制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】従来の装置（１）の構成を示すブロック図である。
【図４】従来の装置（２）の構成を示すブロック図である。
【図５】サブシステムの具体例を示す正面図である。
【符号の説明】
１０　多リンク柔軟アーム
１１　梁
１２　ヒンジ
１３　直流電気モータ
１４　エンドエフェクタ
１５　歪ゲージ
１６　局所システム
２０　制御盤
２１　振動特性推定器
２２　状態推定器
２３　増幅器
２４　増幅率調整器
３０　展開構造物
３１　梁
３２　展開ばね
３３　展開制御モータ
３４　展開制御ワイヤ
３５　リアクションホイール
３６　ジャイロ
【図１】
2004054605.tif 000017
【図２】
2004054605.tif 000018
【図３】
2004054605.tif 000019
【図４】
2004054605.tif 000020
【図５】
2004054605.tif 000021