(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タワークレーンの旋回架構の旋回方向及びブームの起伏方向について地震外乱を考慮した旋回方向及び起伏方向の低次元化モデルを導出し、
旋回用モータ及び起伏用モータの速度指令値に制限があることを踏まえ、前記旋回方向及び起伏方向の低次元化モデルを地震外乱の大きさに関する旋回方向及び起伏方向の線形パラメータ変動モデルに変形し、
この旋回方向及び起伏方向の線形パラメータ変動モデルに対し線形行列不等式に基づくゲインスケジュールド制御理論を適用して地震加速度の大きさに応じたゲインスケジュールド制御系を設計し、該ゲインスケジュールド制御系により求めた制御指令により旋回用モータ及び起伏用モータの駆動速度を制御してタワークレーンの地震応答を低減する
ことを特徴とするタワークレーンの地震応答制御方法。
【請求項２】
旋回用モータ及び起伏用モータの駆動制御により、加速度振幅最大値３．５ｍ／ｓ2程度の地震波に対する地震応答制御を可能にした請求項１に記載のタワークレーンの地震応答制御方法。
【請求項３】
タワークレーンに備えた旋回架構を旋回する旋回用モータと、旋回架構に備えたブームを起伏する起伏用モータと、
地震による水平面のｘ方向とｙ方向の加速度を検出する加速度検出器と、
旋回架構の旋回方向及びブームの起伏方向について地震外乱を考慮した旋回方向及び起伏方向の低次元化モデルを導出する低次元化モデル導出手段と、
旋回用モータ及び起伏用モータの速度指令値に制限があることを踏まえ、前記旋回方向及び起伏方向の低次元化モデルを地震外乱の大きさに関する旋回方向及び起伏方向の線形パラメータ変動モデルに変形するパラメータ変動モデル導出手段と、
旋回方向及び起伏方向の線形パラメータ変動モデルに対し線形行列不等式に基づくゲインスケジュールド制御理論を適用して地震加速度の大きさに応じた制御指令を前記旋回用モータと起伏用モータに入力するゲインスケジュールド制御系手段を有する制御器と、
を有することを特徴とするタワークレーンの地震応答制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タワークレーンが本来有している操作力のみを用いて地震応答制御を可能にしたタワークレーンの地震応答制御方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
１９９５年に発生した兵庫県南部地震において多くの建築物が被害を受けた中で、災害の規模は様々であるが、建築用タワークレーン約３０台が被害を受けた。ビル等の建築物に対する耐震設計には従来から性能設計法が導入され、さらに各種免震・制振技術の実用化が盛んに行われているのに対し、クレーンに対する耐震設計法は昭和５１年にクレーン構造規格が改訂されて以来変更されていない。このように、他の構造物に比べてクレーンの耐震設計法が成熟していない背景には、兵庫県南部地震以前におけるクレーンの地震被害経験が少なかった、地震による被害は極めて局所的な被害に留まっている、タワークレーンは仮設構造物であるため、現場に設置されている期間と地震に対する再現期間の関係を考えると現状の耐震設計法は妥当であった、等が考えられている。
【０００３】
しかしながら、タワークレーンの倒壊、損傷は工期の大幅な遅れや建設中の建築物への被害を招くだけでなく、タワークレーンの周辺に対する人的被害やタワークレーンを操作するオペレータも危険に晒されるという問題がある。
【０００４】
このため、タワークレーンにおいても他の建築物と同様に安全性を確保することが重要であり、何らかの形で地震応答制御を図ることが必要となってきている。
【０００５】
クレーンの地震応答制御に関する研究は従来からいくつか行われており、非特許文献１には、コンテナクレーン用ロッキング型免震装置に対して双線形最適制御を適用し、地震応答のみならず荷役作業に対しても優れた制振性能を有することをシミュレーションにより示している。一方、タワークレーンに関しては、非特許文献２に、振り子式制振装置によるタワークレーンの安全対策の開発が報告され、又、非特許文献３に、ジャイロモーメントによるタワークレーンのアクティブ制振制御が報告されている。
【０００６】
又、非特許文献４にはタワークレーンの起伏・旋回方向の分散制御が報告され、非特許文献５にはタワークレーンの制御（速度制御されたモータを用いた制御）が報告され、非特許文献６には地震動による推力飽和を考慮した外乱包含ゲインスケジュールド制御が報告され、非特許文献７にはタワークレーンの制御（ブーム起伏方向に関する制御）が報告され、非特許文献８にはＬＭＩに基づくゲインスケジュールド制御について報告されている。
【非特許文献１】村野健一，吉田和夫，コンテナクレーン用ロッキング型免震装置のセミアクティブ最適制御，日本機械学会論文集（Ｃ編），69巻，686号，pp.2580-2587，2003
【非特許文献２】田中正吉，タワークレーンの安全対策，建設機械，48-51，1998
【非特許文献３】風尾幸彦，並木正夫，他，ジャイロモーメントによるタワークレーンのアクティブ振動制御，日本機械学会講演論文集，No.940-26 I，Vol.B，124-127，1995
【非特許文献４】高木清志，西村秀和，タワークレーンの起伏・旋回方向の分散制御，日本機械学会論文集（Ｃ編），65巻，640号，pp.4692−4699，1999
【非特許文献５】高木，西村，小池，西川，下田，タワークレーンの制御（速度制御されたモータを用いた制御），Dynamics＆Design Conference 2006，ＣＤ-ＲＯＭ梗概集，526.pdf（2006）
【非特許文献６】板垣紀章，西村秀和，地震動による推力飽和を考慮した外乱包含ゲインスケジュールド制御，運動と振動の制御シンポジウム講演論文集，Vol.2005，No.9，pp.69-74（2005）
【非特許文献７】種村英朗，西村秀和，高木清志，タワークレーンの制御（ブーム起伏方向に関する制御），日本機械学会論文集（Ｃ編），64巻，624号，pp.2859-2866，1998
【非特許文献８】P.Gahinet，A.Nemirovski，A.J.Laub，and M.Chilali：LMI Control Toolbox，For Use With MATLAB，The MATH WORKS Inc.,Natick．（1995）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１〜３に記載の地震応答制御方法では、動吸振器等の制振装置をタワー最上部に取り付ける必要があるため、コスト面やメンテナンスの面で障壁となっている。
【０００８】
従って、地震外乱を受ける自立形のタワークレーンにおいて、新たに制振装置やアクチュエータを取り付けることなく、クレーンが本来有する操作力のみを用いて地震応答制御を行うことができれば有効なものとなり得る。
【０００９】
一方、前記非特許文献４、５、７、８にはタワークレーンの制御方法が示されているが、地震に対するタワークレーンの応答制御については記載されておらず、又、非特許文献６には地震動による推力飽和を考慮した外乱包含ゲインスケジュールド制御が記載されているが、この制御はビルのような建築構造物を対象としたものであり、タワークレーンが本来有している操作力を用いて地震応答制御を可能にする技術については記載されていない。
【００１０】
本発明は地震外乱を受ける自立形のタワークレーンおいて、新たに制振装置やアクチュエータを取り付ける必要のない、タワークレーンが本来有する操作力のみによる地震応答制御を可能にしたタワークレーンの地震応答制御方法及び装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、タワークレーンの旋回架構の旋回方向及びブームの起伏方向について地震外乱を考慮した旋回方向及び起伏方向の低次元化モデルを導出し、
旋回用モータ及び起伏用モータの速度指令値に制限があることを踏まえ、前記旋回方向及び起伏方向の低次元化モデルを地震外乱の大きさに関する旋回方向及び起伏方向の線形パラメータ変動モデルに変形し、
この旋回方向及び起伏方向の線形パラメータ変動モデルに対し線形行列不等式に基づくゲインスケジュールド制御理論を適用して地震加速度の大きさに応じたゲインスケジュールド制御系を設計し、該ゲインスケジュールド制御系により求めた制御指令により旋回用モータ及び起伏用モータの駆動速度を制御してタワークレーンの地震応答を低減する
ことを特徴とするタワークレーンの地震応答制御方法、に係るものである。
【００１２】
上記タワークレーンの地震応答制御方法において、旋回用モータ及び起伏用モータの駆動制御により、加速度振幅最大値３．５ｍ／ｓ2程度の地震波に対する地震応答制御を可能にすることは好ましい。
【００１３】
本発明は、タワークレーンに備えた旋回架構を旋回する旋回用モータと、旋回架構に備えたブームを起伏する起伏用モータと、
地震による水平面のｘ方向とｙ方向の加速度を検出する加速度検出器と、
旋回架構の旋回方向及びブームの起伏方向について地震外乱を考慮した旋回方向及び起伏方向の低次元化モデルを導出する低次元化モデル導出手段と、
旋回用モータ及び起伏用モータの速度指令値に制限があることを踏まえ、前記旋回方向及び起伏方向の低次元化モデルを地震外乱の大きさに関する旋回方向及び起伏方向の線形パラメータ変動モデルに変形するパラメータ変動モデル導出手段と、
旋回方向及び起伏方向の線形パラメータ変動モデルに対し線形行列不等式に基づくゲインスケジュールド制御理論を適用して地震加速度の大きさに応じた制御指令を前記旋回用モータと起伏用モータに入力するゲインスケジュールド制御系手段を有する制御器と、
を有することを特徴とするタワークレーンの地震応答制御装置、に係るものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のタワークレーンの地震応答制御方法及び装置によれば、タワークレーンの旋回架構の旋回方向及びブームの起伏方向について地震外乱を考慮した旋回方向及び起伏方向の低次元化モデルを導出し、旋回用モータ及び起伏用モータの速度指令値に制限があることを踏まえ、前記旋回方向及び起伏方向の低次元化モデルを地震外乱の大きさに関する旋回方向及び起伏方向の線形パラメータ変動モデルに変形し、この線形パラメータ変動モデルに対し線形行列不等式に基づくゲインスケジュールド制御理論を適用することにより地震加速度の大きさに応じたゲインスケジュールド制御系を設計するようにしたので、地震加速度に応じてタワークレーンに備えられる旋回用モータ及び起伏用モータの駆動速度を制御するのみにてタワークレーンの地震応答を低減できるという優れた効果を奏し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００１６】
本発明のタワークレーンの地震応答制御方法は、旋回架構の旋回方向とブームの起伏方向との運動に連成は少ないと考え、非特許文献４を参考に、旋回方向と起伏方向のそれぞれについて独立した別々の制御器を用いる分散制御系設計を行う。この分散制御系設計のため、旋回方向及び起伏方向のそれぞれについて地震外乱を考慮した低次元化モデルを作成する。タワークレーンモデルとしては、実機を参考に、非特許文献５による速度制御モデルを導入する。
【００１７】
一般にタワークレーン実機の速度指令には制限があり、制限を超える制御入力が要求された場合、十分な制振性能を得られない可能性がある。アクチュエータの制約を考慮した研究は数多く行われているが、非特許文献６では、推力飽和を考慮したゲインスケジュールド（ＧＳ）制御系と外乱包含制御を併合した外乱包含ゲインスケジュールド制御によるアクティブ免震制御系を設計し、その有効性をシミュレーション及び実験により実証している。
【００１８】
本発明は、非特許文献６で提案された手法をタワークレーンの地震応答制御に適用し、角速度指令値に制限があることを踏まえ、起伏・旋回各方向の低次元化モデルを地震外乱の大きさに関する線形パラメータ変動モデルに変形し、地震加速度の大きさに応じたゲインスケジュールド制御系を設計した。そして、クレーンが本来有する操作力のみによるタワークレーンの地震応答制御が可能であることを３次元モデルを用いたシミュレーションにより検証した。
【００１９】
本発明の地震応答制御を具体的に説明する。
１）低次元化モデルの作成    
地震外乱を受けるタワークレーンの３次元モデルを図１に示す。図中１はタワー部（マスト部）、２は旋回架構、３は旋回用モータ、４は起伏するブーム、５は起伏用モータである。
【００２０】
又、以下の説明で用いる記号は次のように定義する。
ｘｉ：タワー各部のｘ方向絶対変位
ｙi：タワー各部のｙ方向絶対変位
ｖ：ブームの起伏角度
θ：吊り荷の起伏方向振り上がり角度
ζ：旋回角度
ψ：吊り荷の旋回方向振り上がり角度
Ωb：ガントリのｘ−ｙ面に対する角度
Ｌ：ブーム長
Ｒｂ：巻胴半径
ｌ：吊り荷ロープ長
ｌｂｔ：ガントリ上部からブーム先端までの距離
Ｌｔ：タワー部長
ａ：ブーム下端と原点との距離
ａｂ：ブーム下端とガントリ上端との距離
Ｗｂ：ブーム質量
Ｗｏ：吊り荷質量
Ｍｄ：起伏・旋回モータ，ガントリを含む旋回架横の質量
Ｊr：旋回架構のｚ軸周りの慣性モーメント
ｍｂｔ：ブーム先端の質量
ｃｂ：ブーム下端まわりに対する減衰係数
Ｍｂ：低次元化モデルの等価的質量
ｋｔ：低次元化モデルの等価的ばね定数
ｃｔ：低次元化モデルの等価的減衰係数
ｘｒ：タワー最上部の起伏方向の変位
ｙｒ：タワー最上部の旋回方向の変位
ｌｍｘ：タワー最上部の原点から重心までのｘｒ方向の距離
ｌｍｙ：タワー最上部の原点から重心までのｙｒ方向の距離
ｌｍｒ：タワー最上部の原点から重心までのｘｒ方向の距離
（旋回方向低次元化モデル用）
ｕｓ：旋回方向入力トルク
ｕ：起伏方向入力トルク
ｇ：重力加速度
【００２１】
図１のタワークレーンの３次元モデルは、非特許文献７に基づいてタワー部１を４分割した一端固定−他端自由はり（片持ちはり）の有限要素モデルと仮定し、求まったタワー部１の運動方程式を旋回架構を含むクレーン部の運動方程式と結合することにより導出する。
【００２２】
旋回方向と起伏方向の運動には連成が少ないと考えられ、旋回・起伏方向の分散制御を行うためには、各方向に対する制御系設計用モデルを導出する必要がある。図２に旋回方向の低次元化モデルを、図３に起伏方向の低次元化モデルを示す。これらの低次元化モデルに用いる各パラメータは、実機を参考として定めた。
【００２３】
図４は、上記低次元化モデルに基づいて構成した本発明の地震応答制御装置の概略を示すもので、図中６は制御器であり、該制御器６には、図１に示すように、水平面に対するｘ方向の地震加速度
【数１】
0005097465.tif 000002
を検出する加速度検出器７からの検出信号、ｙ方向の地震加速度
【数２】
0005097465.tif 000003
を検出する加速度検出器８からの検出信号が取り込まれると共に、前記旋回用モータ３の回転計９からの検出信号、起伏用モータ５の回転計１０からの検出信号が取り込まれており、更に制御器６には、旋回架構２の旋回方向及びブーム４の起伏方向について地震外乱を考慮した旋回方向及び起伏方向の低次元化モデルを導出する低次元化モデル導出手段１１と、旋回用モータ３及び起伏用モータ５の速度指令値に制限があることを踏まえ、前記旋回方向及び起伏方向の低次元化モデルを地震外乱の大きさに関する旋回方向及び起伏方向の線形パラメータ変動モデルに変形するパラメータ変動モデル導出手段１２からの指令が入力されており、線形パラメータ変動モデルに対し線形行列不等式に基づくゲインスケジュールド制御理論を適用して地震加速度の大きさに応じた制御指令を前記旋回用モータ３と起伏用モータ５に入力するゲインスケジュールド制御系手段１３を備えている。
【００２４】
そして、制御器６からの指令信号によって旋回用モータ３と起伏用モータ５の回転を制御するようにしている。
【００２５】
上記低次元化モデルにおいて、地震応答制御を行う図４の制御器６の構成を以下に説明するが、説明の中で添え字ｓは旋回方向を意味し、ｋは起伏方向を意味するものとする。先ず、旋回方向低次元化モデルについて説明する。
【００２６】
図２の旋回方向低次元化モデルについて、ラグランジュの方程式により運動方程式を求めると、
【数３】
0005097465.tif 000004
となる。ただし、
【数４】
0005097465.tif 000005
であり、状態方程式は、
【数５】
0005097465.tif 000006
となる。観測量ｙｓの出力方程式は、
【数６】
0005097465.tif 000007
となる。
【００２７】
同様に起伏方向低次元モデルの状態方程式及び出力方程式は以下のようになる。
【数７】
0005097465.tif 000008
【００２８】
２）速度制御モデルへの変換
旋回用モータ３及び起伏用モータ５は指令電圧に比例して角速度制御される。そのため、トルク入力の低次元化モデル式（３）を、旋回角速度
【数８】
0005097465.tif 000009
を制御入力とするモデルに変形する必要がある。しかし、タワークレーンのモデルは非線形性が強く、単純な式変形では角速度入力のモデルを導出できない。非特許文献５では、速度制御されたモータによって駆動される状態を、ブームの旋回角速度
【数９】
0005097465.tif 000010
が速度フィードバックゲインｋｓによって、目標となる角速度
【数１０】
0005097465.tif 000011
に追従するように制御されているものとしてモータ速度制御のモデル化を行った。その相互接続を図５に示す。ここで、ｋｓの値は実機を参考に求めた。タワークレーンの旋回用モータ３及び起伏用モータ５には、機種ごとにある安全率のもとに最高速度が決められており、ソフト的に速度が制限される仕組みになっている。
【００２９】
旋回・起伏方向のブーム回転角速度指令値
【数１１】
0005097465.tif 000012
にはそれぞれ
【数１２】
0005097465.tif 000013
の速度制限があるものと想定し、これを双曲線正接関数ｆｓａｔ（ｕ）＝αtanｈ（ｕ／α）を用いて制約する。なお、ここではタワークレーン非稼動時、つまり荷役作業を行っていないときの地震応答制御を想定しているため、ロープ長は変動しないものとし、初期起伏角度は４５゜、吊り荷質量はワイヤー及びフック質量のみとしている。
【００３０】
３）制御系設計のための外乱モデルの設定
タワークレーンへの地震外乱
【数１３】
0005097465.tif 000014
は、外乱雑音ｗｄｓ、包括関数Ｅｖｓ（ｔ）≧０を用いて
【数１４】
0005097465.tif 000015
と模擬的に表される。旋回・起伏各方向に対する式（８）の外乱モデルＥｄｓ（ｓ），Ｅｄｋ（ｓ）を図６（ａ），（ｂ）に示す。旋回・起伏方向ともに帯域としてはタワークレーン１次振動モードまでを考慮し、式（８）の出力
【数１５】
0005097465.tif 000016
あるいは
【数１６】
0005097465.tif 000017
によって速度指令値が飽和する程度にゲインを調整している。地震加速度
【数１７】
0005097465.tif 000018
は検出可能としても、式（７）のＥｖｓ（ｔ）はオンラインで得ることはできない。そこで、式（８）の外乱モデルの出力
【数１８】
0005097465.tif 000019
の最大値を表すαｚｓを設け、次式のような変動パラメータｑｓを導入する。
【数１９】
0005097465.tif 000020
【００３１】
αｚｓは、速度指令値に飽和を生じさせる最小の定常外乱
【数２０】
0005097465.tif 000021
の最大値と定義したので、これを基準として、
【数２１】
0005097465.tif 000022
すなわち０≦ｑｓ≦１の場合には速度指令値に飽和が生じることはなく、
【数２２】
0005097465.tif 000023
すなわちｑｓ＞１で速度指令値に飽和が生じることになり、変動パラメータｑｓによって速度指令値の飽和の度合いを表すことができる。本発明の形態では、旋回方向についてαｚｓ＝０．８０ｍ／ｓ2、旋回方向についてαｚｋ＝０．５０ｍ／ｓ2と決定した。
【００３２】
４）線形パラメータ変動モデルの導出
旋回方向低次元化モデルの状態方程式（３）及び出力方程式（４）に外乱特性式（８）を加えてシステムを拡大し、新たに導入した変動パラメータ式（９）を用いると，拡大系の状態方程式及び出力方程式は
【数２３】
0005097465.tif 000024
となる。ここで、非特許文献８には、ＬＭＩ（線形行列不等式）に基づくゲインスケジュールドＨ∞制御器を設計する上で、出力行列Ｃｍｓが不変でなければならないという制約があることが示されている。式（１０）からわかるようにＣｍｓには変動を考えているスケジューリングパラメータｑｓが含まれており、この制約を満たしていない。
【００３３】
そこでプラントの出力端に十分広い帯域幅をもつと仮定したローバスフィルタＦ1を図７の閉ループシステムに付加し、拡大プラントのシステム行列Ａｅｓに行列Ｃｍｓのパラメータ依存性を押し込める。そうして新たに低次元化モデルの状態方程式、出力方程式を
【数２４】
0005097465.tif 000025
とする。Ａｓ0はＡｅｓ（ｑｓ）からスケジューリングパラメータｑｓに対して独立な成分、Ａｓｑはスケジューリングパラメータｑｓに依存する成分を取り出した行列である。又，拡大系の出力は、タワー部変位、ブーム振れ角と基礎部加速度である。旋回方向でのパラメータｑｓが最大値及び最小値の場合の端点システムのゲイン線図を図８（ａ）に示す。
【００３４】
同様に、起伏方向の拡大系は
【数２５】
0005097465.tif 000026
となる。旋回方向同様、起伏方向でのパラメータｑｓが最大値及び最小値の場合の端点システムのゲイン線図を図８（ｂ）に示す。
【００３５】
５）ゲインスケジュールド制御係の設計
上述した拡大系に対し、非特許文献８に示されるＬＭＩ（線形行列不等式）に基づくゲインスケジュールド制御理論を適用する。
旋回・起伏各方向ともに、加速度の最大振幅３．５ｍ／ｓ2程度の地震動を受けた際の速度指令値の飽和を考慮するため、旋回方向については式（９）の地震外乱
【数２６】
0005097465.tif 000027
の最大値を基準値αｚｓの５倍、
【数２７】
0005097465.tif 000028
の最大値を基準値αｚｋの７倍とする。
【数２８】
0005097465.tif 000029
が基準値よりも小さい場合は常にｑｓ＝１，ｑｋ＝１とし、変動パラメータの範囲を
【数２９】
0005097465.tif 000030
とする。設計に用いた一般化プラント及び重み関数を図９、図１０（ａ），（ｂ）に示す。Ｗ1、Ｗ21、Ｗ22は、それぞれ制御入力、タワー部変位、ブーム振れ角に対する重み関数である。求められた制御器のゲイン線図を図１１（ａ），（ｂ）、図１２（ａ），（ｂ）に示す。上記図により、旋回・起伏方向ともに地震外乱が大きくなるときに制御性能を下げるような制御器が求まっていることがわかる。ある時刻における動作点ｑｓ，ｑｋに対応したゲインスケジュールド制御器は、これらのＬＴＩ（線形時不変）端点制御器を地震加速度の大きさに応じて凸補間することで得られる。
【００３６】
上記したタワークレーンの地震応答制御装置では、図４に示すように、地震外乱によるｘ方向の地震加速度が加速度検出器７で検出されて制御器６に入力され、ｙ方向の地震加速度が加速度検出器８で検出されて制御器６に入力され、制御器６において、旋回架構２の旋回方向及びブーム４の起伏方向について地震外乱を考慮した旋回方向及び起伏方向の低次元化モデルが低次元化モデル導出手段１１によって求められ、更に、旋回用モータ３及び起伏用モータ５の速度指令値に制限があることを踏まえ、前記旋回方向及び起伏方向の低次元化モデルを地震外乱の大きさに関する旋回方向及び起伏方向の線形パラメータ変動モデルがパラメータ変動モデル導出手段１２によって求められ、更に、線形パラメータ変動モデルに対し線形行列不等式に基づくゲインスケジュールド制御理論を適用して地震加速度の大きさに応じた制御指令をゲインスケジュールド制御系手段１３により求めて旋回用モータ３と起伏用モータ５を制御するようにしたので、地震加速度の大きさに応じた制御指令によって旋回方向と起伏方向の制御を行うようにしているので、タワークレーンが本来有している操作力のみによってタワークレーンの地震による振動を効果的に制振することができる。又、前記旋回用モータ３と起伏用モータ５に設けた回転計９，１０からの検出信号を制御器６に取り入れているため、制御器６は旋回用モータ３と起伏用モータ５の回転をフィードバック制御することができる。
【００３７】
６）上記形態に対するシミュレーションによる性能評価
設計したゲインスケジュールド制御器の性能を、神戸、八戸の２種類の地震波を用いたシミュレーションにより検証した。地震加速度の大きさによって制御系を変動させることの有効性を検証するために、比較として変動パラメータを
【数３０】
0005097465.tif 000031
に固定した端点Ｈ∞制御器を用いることとする。なお、ここではｘ方向に対してＥＷ波を，ｙ方向に対してＮＳ波をそれぞれ用いた。
【００３８】
速度指令値に飽和が生じない程度の地震に対する制振性能（ケース１）
指令値に飽和が生じない程度に地震波の振幅倍率を調整した。図１３（ａ），（ｂ）に、神戸地震波に対するタワー最上部の旋回・起伏方向変位の時刻歴応答（変位）を示す。［表１］、［表２］に神戸、八戸それぞれの旋回・起伏方向のタワー最上部変位及び絶対加速度の非制御時のｒｍｓ値に対する比率を示す。
【表１】
0005097465.tif 000032
【表２】
0005097465.tif 000033
【００３９】
３）の制御系設計のための外乱モデルの設定で述べたように、
【数３１】
0005097465.tif 000034
の場合には制御入力に飽和が生じることはなく、
【数３２】
0005097465.tif 000035
で制御入力に飽和が生じるように
【数３３】
0005097465.tif 000036
を定めているため、地震波に対してパラメータの変化は小さく、ゲインスケジュールド制御器はほとんど変動しない。そのため端点Ｈ∞制御器とゲインスケジュールド制御器で性能はほぼ同程度である。いずれの場合ともに制御なしの場合に比べｒｍｓ値を約３０〜６０％低減できている。
【００４０】
加速度振幅を３．５m／ｓ2程度に調節した地震に対する制振性能（ケース２）
振幅を旋回・起伏方向それぞれ神戸地震波については原波の０．５倍、八戸地震波については原波の１．５倍とし、加速度振幅最大値を３．５m／ｓ2程度に調節した地震動に対する制振性能を示す。
【００４１】
図１４、図１５に神戸地震波を入力した場合のタワークレーン各部の時刻歴応答を示す。図１４（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ旋回方向のタワー最上部の加速度、変位、速度指令値、旋回方向の変動パラメータ、図１５（ａ）〜（ｄ）は、起伏方向のタワー最上部の加速度、変位、速度指令値、起伏方向の変動パラメータを太い実線で示している。比較のため、端点Ｈ∞制御器を用いた場合を細い実線で、制御なしの場合を破線で重ねて描いている。図１４（ｃ），図１５（ｃ）については双曲線正接関数を通す前の制御入力を点線で示している。
【００４２】
まず図１４（ａ），（ｂ）の旋回方向加速度、変位応答より、端点Ｈ∞制御器及びＧＳ制御器を用いた場合は制御なしの場合に比べ、最大値を大幅に抑え、且つ収束性が大幅に向上していることがわかる。さらに、ＧＳ制御時は端点Ｈ∞制御器を用いた場合に比べ、加速度及び変位の最大値を約１３％低減できており、設計したＧＳ制御器の有効性が確認できる。図１４（ｃ）の制御入力では、双曲線正接関数による制約のため±３゜／sを超えることはないが、ＧＳ制御時は端点Ｈ∞制御器を用いた場合に比べて飽和の度合いを抑えており、地震加速度により適切にゲインを切り替えていることが確認できる。又、図１４（ｄ）より、スケジューリングパラメーｑｓは地震加速度の大きさに応じてなめらかに変動しており、ＧＳ制御が適切に行えていることが確認できる。
【００４３】
起伏方向については、図１５（ａ），（ｂ）より、旋回方向同様、端点Ｈ∞制御器及びＧＳ制御器を用いた場合は制御なしの場合に比べ、最大値を大幅に抑え、且つ収束性が大幅に向上していることがわかる。又、図１５（ｃ）の制御入力より、端点Ｈ∞制御器を用いた場合、制約のおよそ８倍という過大な入力が算出されていることがわかる。これに双曲線正接関数による制約を加えているため、制約後の制御入力が急峻となり、この結果、図１５（ａ）の起伏方向加速度応答に制御系設計に考慮していない２次モードの振動が現れている。これに対し、ＧＳ制御時は制御器のゲインを下げることによって飽和の度合いを抑えているため、このような応答の劣化は起きておらず、ＧＳ制御の有効性が確認できる。
【００４４】
［表３］、［表４］に神戸・八戸地震波を入力した場合の旋回及び起伏方向タワー各部の最大変位、加速度の非制御時に対する比率を示す。
【表３】
0005097465.tif 000037
【表４】
0005097465.tif 000038
【００４５】
［表３］、［表４］中、添え字１及び４はそれぞれ図１におけるタワー最上部質点及び最下部質点を意味している。［表３］、［表４］より、いずれの地震波に対しても制御時は各方向タワー部変位、加速度とも非制御時より悪化させることなく応答を低減できていることがわかる。［表３］において、旋回方向についてはＧＳ制御器は端点Ｈ∞制御器の性能を大きく上回っており、設計したＧＳ制御器の有効性が確認できるとともに、外乱包含制御が効果的であることがわかる。又、［表４］の起伏方向では、変位についてはＧＳ制御器と端点Ｈ∞制御器でほぼ同程度であるものの、加速度ではＧＳ制御器が優れた応答低減性能を有していることがわかる。
【００４６】
上記したように、起伏方向及び旋回方向それぞれについて地震外乱を考慮した低次元化モデルを導出して分散制御系を設計し、速度指令値に制限があることを踏まえ、地震外乱の大きさに関する線形パラメータ変動モデルに変形し、地震加速度の大きさに応じたゲインスケジュールド制御系を設計したので、この制御器によれば、タワー部加速度及び変位を効果的に低減でき、加速度振幅最大値３．５m／ｓ2程度の地震波に対し、クレーンの本来有する操作力のみによりタワークレーンの地震応答制御が可能であることが明らかとなった。又、神戸地震波の生波形（加速度振幅最大値７．９９m／ｓ2）を入力したところ、この場合においてもある程度の性能を維持することが判明したため、加速度振幅最大値３．５m／ｓ2以上の地震波に対してタワークレーンの地震応答制御が可能であることが判明した。
【００４７】
なお、本発明のタワークレーンの地震応答制御方法及び装置は、上記形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明を適用する地震外乱を受けるタワークレーンの３次元モデルの斜視図である。
【図２】旋回方向の低次元化モデルの斜視図である。
【図３】起伏方向の低次元化モデルの側面図である。
【図４】低次元化モデルに基づいて構成する本発明の地震応答制御装置の概略を示すブロック図である。
【図５】モータ速度制御をモデル化したブロック図である。
【図６】（ａ）は旋回方向の外乱モデル、（ｂ）は起伏方向の外乱モデルを示す線図である。
【図７】出力端に十分広い帯域幅をもつと仮定したローバスフィルタを閉ループシステムに付加した制御回路図である。
【図８】（ａ）は旋回方向でのパラメータが最大値及び最小値の場合の端点システムのゲイン線図、（ｂ）は起伏方向でのパラメータが最大値及び最小値の場合の端点システムのゲイン線図である。
【図９】設計に用いた一般化プラントの制御回路図である。
【図１０】（ａ）は一般化プラントの旋回方向の重み関数の線図、（ｂ）は起伏方向の重み関数の線図である。
【図１１】（ａ）は制御器の旋回方向での変動パラメータが最小のときのゲイン線図、（ｂ）は制御器の旋回方向での変動パラメータが最大のときのゲイン線図である。
【図１２】（ａ）は制御器の起伏方向での変動パラメータが最小のときのゲイン線図、（ｂ）は制御器の起伏方向での変動パラメータが最大のときのゲイン線図である。
【図１３】（ａ）はタワー最上部の旋回方向の時刻歴応答を示す線図、（ｂ）はタワー最上部の起伏方向の時刻歴応答を示す線図である。
【図１４】（ａ）は旋回方向のタワー最上部の加速度、（ｂ）は変位、（ｃ）は速度指令値、（ｄ）は旋回方向の変動パラメータである。
【図１５】（ａ）は起伏方向のタワー最上部の加速度、（ｂ）は変位、（ｃ）は速度指令値、（ｄ）は旋回方向の変動パラメータである。
【符号の説明】
【００４９】
２  旋回架構
３  旋回用モータ
４  ブーム
５  起伏用モータ
６  制御器
７，８  加速度検出器
１１  低次元化モデル導出手段
１２  パラメータ変動モデル導出手段
１３  ゲインスケジュールド制御系手段
【図１】
0005097465.tif 000039
【図２】
0005097465.tif 000040
【図３】
0005097465.tif 000041
【図４】
0005097465.tif 000042
【図５】
0005097465.tif 000043
【図６】
0005097465.tif 000044
【図７】
0005097465.tif 000045
【図８】
0005097465.tif 000046
【図９】
0005097465.tif 000047
【図１０】
0005097465.tif 000048
【図１１】
0005097465.tif 000049
【図１２】
0005097465.tif 000050
【図１３】
0005097465.tif 000051
【図１４】
0005097465.tif 000052
【図１５】
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