JP6886148B2 - アクティブマスダンパおよびアクティブマスダンパの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、アクティブマスダンパおよびアクティブマスダンパの制御装置に関する。

地震動による構造物の振動を抑制する装置として、構造物に往復動可能に設置された可動マスと可動マスを駆動するアクチュエータとを備えたアクティブマスダンパがある。

アクティブマスダンパは、構造物が地震動等によって振動する際に、構造物の振動を打ち消すように可動マスを駆動して構造物の振動を抑制するものである。したがって、アクティブマスダンパは、アクチュエータを制御するための制御装置を備えている。

たとえば、従来のアクティブマスダンパは、構造物に作用する加速度を検知する加速度センサを備えており、加速度センサが検知した加速度からアクチュエータが可動マスへ与える制御力を求めて、可動マスを駆動するものがある（たとえば、特許文献１の従来技術欄参照）
また、アクティブマスダンパは、他にも、可動マスがストローク限界を超えないように加速度センサで検知する加速度だけでなく、可動マスの変位を検知する変位センサを備え、変位センサで検知する変位をも加味してアクチュエータを制御するものもある（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００７−２３９９４２号公報

加速度センサが検知した加速度からアクチュエータが可動マスへ与える制御力を求めるアクティブマスダンパは、アクチュエータに力指令を与えるようになっており、構造物や可動マスの変位や速度についてはフィルタ処理によって推定するしかない。したがって、このようなアクティブマスダンパでは、フィルタの精度により構造物や可動マスの変位や速度に誤差が生じて制御出力が発散する恐れがありフィルタの設計が難しく、思うような制振効果が得られない可能性がある。

また、加速度センサだけでなく変位センサを用いたアクティブマスダンパにあっても、加速度を二回も積分する演算が必要となっていて、フィルタ処理が必須で位相が遅れてしまう問題があり、思うような制振効果が得られない可能性がある。

そこで、本発明は、制振性能を向上できるアクティブマスダンパおよびアクティブマスダンパの制御装置の提供を目的としている。

上記した目的を達成するため、本発明のアクティブマスダンパおよびアクティブマスダンパの制御装置は、制御部が変位指令から構造物の加速度までの伝達関数に基づいて加速度センサが検知した加速度のみから可動マスの変位を指示する変位指令を生成するようになっている。このように構成されたアクティブマスダンパおよびアクティブマスダンパの制御装置にあっては、変位指令でアクチュエータを制御するので、可動マスの変位に誤差が生じにくく、加速度を積分する処理を行わずに加速度から変位指令を生成するので制御上で位相遅れが発生しない。

さらに、アクティブマスダンパは、変位指令の大きさである変位指令レベルと可動マスのストローク制限値とに基づいて変位指令に乗じる補正ゲインを求め、変位指令に補正ゲインを乗じるゲイン乗算部を備えていてもよい。このようにゲイン乗算部を備えると、アクティブマスダンパは、制御部によって可動マスのストローク限界を超えるような変位指令が生成されても、可動マスを許容されるストロークの範囲で変位させつつ構造物の振動抑制効果を発揮できる。

また、アクティブマスダンパは、変位指令レベルをストローク制限値で除した指標値をパラメータとして、指標値が１以下では補正ゲインを１とし、指標値が１を超えて１以上に設定される値以下では補正ゲインが放物線を描いて下降し、指標値が設定値を超えると補正ゲインが指標値に反比例して下降するマップを用いて補正ゲインを求めてもよい。このようにアクティブマスダンパが構成されると、指標値が１と設定値を跨いで変化する際に補正ゲインが連続して急変しないので、可動マスの速度に振動が生じて構造物の振動抑制効果を減じてしまう恐れがなくなる。

そして、アクティブマスダンパは、可動マスの変位を検知する変位センサと、変位指令と変位センサが検知する可動マスの変位とに基づいてフィードバック制御するフィードバック制御部とを備えていてもよい。このように構成されたアクティブマスダンパは、可動マスの変位指令に対する追従性を高めるとともに、速度指令や力指令でアクチュエータを駆動するサーボアンプにも対応できる。

本発明のアクティブマスダンパおよびアクティブマスダンパの制御装置によれば、制振性能を向上できる。

一実施の形態におけるアクティブマスダンパおよびアクティブマスダンパの制御装置を構造物に適用した図である。 一実施の形態におけるアクティブマスダンパの制御ブロック図である。 一般的な制御系における制御モデルを示した図である。 一実施の形態のアクティブマスダンパにおける制御系の制御モデルを示した図である。 一実施の形態におけるアクティブマスダンパの制御ブロック図の第一変形例である。 一実施の形態におけるアクティブマスダンパの制御ブロック図の第二変形例である。 一実施の形態におけるアクティブマスダンパの制御ブロック図の第三変形例である。 一実施の形態におけるアクティブマスダンパのゲイン乗算部におけるマップの一例を示した図である。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図１および図２に示すように、一実施の形態におけるアクティブマスダンパ１は、構造物Ｓの振動を抑制するため、構造物Ｓに設置されている。

アクティブマスダンパ１は、図１および図２に示すように、構造物Ｓに対して往復動可能に設置される可動マス２と、可動マス２を駆動するアクチュエータ３と、アクチュエータ３を制御する制御装置としてのコントローラＣとを備えている。そして、本例のコントローラＣは、構造物Ｓの加速度を検知する加速度センサ４と、アクチュエータ３を制御する制御部５とを備えている。

以下、各部について詳細に説明する。図１に示すように、可動マス２は、構造物Ｓに設けたガイドレール６上を走行して往復動できるように設置されている。アクチュエータ３は、たとえば、モータで駆動されるテレスコピック型の電動シリンダとされており、可動マス２を構造物Ｓに対してガイドレール６に沿って往復動させる。なお、アクチュエータ３の構成は、前記したものに限定されるものではなく、テレスコピック型の油圧シリンダであってもよい。本例では、アクチュエータ３がモータであるので、アクチュエータ３の回転動力を可動マス２の直線運動へ変換するのに、ボールナットとボール螺子とでなる送り螺子機構を利用しているが、ラックアンドピニオンを利用してもよい。

加速度センサ４は、構造物Ｓに作用する加速度を検知するべく、構造物Ｓに設置されており、検知した加速度は信号としてコントローラＣへ入力される。コントローラＣは、加速度センサ４で検知した加速度の情報を受け取ると、これを処理して変位指令を生成して、アクチュエータ３を駆動する。

コントローラＣは、本例では、加速度の入力によって変位指令Ｕを生成する制御部５と、アクチュエータ３を駆動するサーボアンプ７とを備えて構成されている。制御部５は、本例では、変位指令Ｕから構造物Ｓの加速度までの伝達関数に基づいて変位指令Ｕを生成する。

ここで、図３に示すように、コントローラが目標値ｒの入力を受けてプラントを制御する一般的な制御系を考える。プラントの出力ｙとして、出力ｙをフィードバック信号としてコントローラへ入力し、コントローラは目標値ｒと出力ｙの入力によってプラントへ操作量ｕを出力するようになっている。

プラントには、外乱ｄが入力されるほか、出力ｙをコントローラへフィードバックする際にはノイズｖが入力されるものとする。以上のように構成される系を伝達関数で表現すると、次の式（１）が成立し得る。なお、添え字は入力から出力を表すものとする。また、Ｃは、コントローラの伝達関数を表し、Ｐは、プラントの伝達関数を表している。

この式（１）を変形すると、次の式（２）が得られる。

ここで、入出力関係に着目すると、目標値ｒから出力ｙまでの閉ループ伝達関数Ｗ_ｒｙは、以下の式（３）によって与えられる。また、外乱ｄから出力ｙまでの閉ループ伝達関数Ｗ_ｄｙは、以下の式（４）によって与えられる。さらに、ノイズｖから出力ｙまでの閉ループ伝達関数Ｗ_ｖｙは、以下の式（５）によって与えられる。

閉ループ伝達関数Ｗ_ｒｙは、操作量ｕが目標値ｒにどれだけ追従しているかを表す伝達関数であり、目標追従性の指標となる。閉ループ伝達関数Ｗ_ｄｙは、外乱ｄが操作量ｕに与える影響を表す伝達関数であり、低感度特性の指標となる。さらに、閉ループ伝達関数Ｗ_ｖｙは、観測されるノイズｖが操作量ｕに与える影響を表す伝達関数であり、ロバスト安定性の指標となる。

次に、式（４）を変形すると、以下の式（６）が得られる。

したがって、Ｃ_ｒｕ、Ｃ_ｙｕとＷ_ｄｙは、式（３）、（４）、（５）からそれぞれ、以下の式（７）、（８）、（９）で表せる。

以上の式から所望する閉ループ伝達特性に応じてコントローラを設計できる。そこで、次に、本例の制御系について考えると、本例の制御系は、図４に示すように、プラントがアクティブマスダンパ１と構造物Ｓであり、構造物Ｓの加速度を出力ｙとして加速度センサ４で検知し、制御部５は出力ｙの入力を受けて変位指令Ｕを出力する。なお、制御部５に入力される加速度である出力ｙには、ノイズｖが重畳される。そして、図３に示した外乱ｄは、図４に示した制御系では、構造物Ｓに作用する風や地震による入力に置き換えられる。

よって、図４に示した制御系においても式（７）から（９）が成立し、前述の式（７）に着目すると、所望する閉ループ特性をＷ_ｖｙに設定すれば、加速度から変位指令Ｕを出力する制御部５の伝達関数を設定できる。

つまり、予め所望する閉ループ特性をＷ_ｖｙに設定して、この閉ループ特性から加速度センサ４で検知する加速度の入力によって変位指令Ｕを生成する制御部５を設計できる。このようにすると、加速度から構造物Ｓの振動を抑制するのに最適な変位指令Ｕを求める制御部５を実現できる。このように制御部５における伝達関数が設定され、制御部５は、加速度の入力によって変位指令Ｕを出力する。

変位指令Ｕは、可動マス２のストローク中心からの変位を指示する指令であって、サーボアンプ７は、制御部５から変位指令Ｕの入力を受けると、アクチュエータ３を駆動して、可動マス２を変位指令Ｕ通りの位置へ移動させる。

このようにして、可動マス２が駆動されると、可動マス２は構造物Ｓの振動に対してこの振動を減衰させ得る位相と振幅で往復動して、構造物Ｓの振動を抑制する。そして、本発明の制御装置としてのコントローラＣは、構造物Ｓの加速度を検知する加速度センサ４と、加速度センサ４が検知した加速度のみから可動マス２の変位を指示する変位指令Ｕを生成する制御部５を備えており、変位指令Ｕでアクチュエータ３を制御するので、可動マス２の変位に誤差が生じにくい。また、加速度を積分する処理を行わずに加速度から変位指令Ｕを生成するので、制御上で位相遅れが発生しない。以上より、本発明のコントローラ（制御装置）Ｃおよびアクティブマスダンパ１によれば、可動マス２の変位に誤差が生じにくく制御上の位相遅れを解消できるから、構造物Ｓを効果的に制振させ得るので制振性能を向上できる。また、本例のアクティブマスダンパ１では、変位指令Ｕから構造物Ｓの加速度までの伝達関数に基づいて変位指令を生成するので、途中に加速度を積分するような処理をせずとも加速度から直接に変位指令Ｕを生成できるのである。

なお、図５に示すように、制御部５とサーボアンプ７との間にフィードバック制御部８を設けて、可動マス２の変位をフィードバックして可動マス２の変位指令Ｕに対する可動マス２の変位の追従性を高めてもよい。また、フィードバック制御部８を設けると、サーボアンプ７がアクチュエータ３の変位制御に対応していない場合にも対応が可能となる。この例では、可動マス２の変位を検知する変位センサ９を備えており、フィードバック制御部８は、変位指令Ｕと前記変位との偏差からサーボアンプ７へ与える指令を生成する。サーボアンプ７がアクチュエータ３を速度制御する場合、図５に示すように、フィードバック制御部８は、変位指令Ｕと変位センサ９との偏差からサーボアンプ７へ与える速度指令を生成する。また、サーボアンプ７がアクチュエータ３を力制御、本例ではトルク制御する場合、図６に示すように、フィードバック制御部８は、変位指令Ｕと前記変位との偏差から速度指令を生成し、前記を微分して可動マス２の速度を得てこの速度と速度指令の偏差から力指令を生成すればよい。なお、フィードバック制御部８は、Ｐ補償、ＰＩ補償、ＰＩＤ補償といった補償のうち構造物Ｓの制振に適する補償を行えばよい。

また、図７に示すように、制御部５の後段にゲイン乗算部１０を設けてもよい。ゲイン乗算部１０の設置に際して、フィードバック制御部８と変位センサ９の設置の有無は任意に選択できる。ゲイン乗算部１０は、変位指令Ｕの大きさである変位指令レベルＵｒと可動マス２のストローク制限値Ｓｒとに基づいて補正ゲインＫａを求めて、変位指令Ｕに補正ゲインＫａを乗じた値を補正後の変位指令Ｕ’として出力する。

具体的には、ゲイン乗算部１０は、Ｋａ＝Ｓｒ／Ｕｒを演算して補正ゲインＫａを求める。変位指令レベルＵｒは、変位指令Ｕの瞬間値ではなく大きさを示す値であり、変動する変位指令Ｕの振幅、つまり、波高値に相当するものである。変位指令レベルＵｒを得るには、単純に変位指令Ｕの波高値を検出してもよいが、タイムリーに変位指令レベルＵｒを得るには、特開２０１３−１７０９８０号公報や特開２０１５−５９７６１号公報に開示されている手法を利用できる。具体的には、変位指令Ｕと変位指令Ｕの微分値或いは積分値を角周波数ωで補正した値の合成ベクトルを求めてこれを変位指令レベルＵｒとしてもよいし、変位指令Ｕとこれを複数の位相変更フィルタで処理して、得られて値の最大値を変位指令レベルＵｒとしてもよい。

ストローク制限値Ｓｒは、本例では、可動マス２のストローク中心からの最大ストロークした際の変位値（最大変位値）に設定されているが、最大変位値から安全マージンを引いた値に設定されてもよい。

このようにすると、変位指令Ｕに補正ゲインＫａを乗じると、補正後の変位指令Ｕ’＝Ｕ×（Ｓｒ／Ｕｒ）となり、値Ｕ／Ｕｒは、変位指令Ｕを変位指令レベルＵｒで除した値となるから常に１以下の値となる。よって、可動マス２が変位できない値を変位指令Ｕが指示する場合であっても、補正後の変位指令Ｕ’は、必ず可動マス２が変位できる値を指示する。そのため、変位指令Ｕが可動マス２のストローク限界を超える変位を指示せず、補正後の変位指令Ｕ’は変位指令Ｕの位相に一致する。よって、ゲイン乗算部１０を備える場合には、可動マス２のストローク限界を超えるような変位指令Ｕが生成されても、可動マス２を許容されるストロークの範囲で変位させつつ構造物Ｓの振動抑制効果を発揮できる。

また、ゲイン乗算部１０は、変位指令レベルＵｒをストローク制限値Ｓｒで除した指標値Ｉをパラメータとして、この指標値Ｉからマップ演算を行って補正ゲインＫａを求めてもよい。

マップは、図８に示すように、指標値Ｉと補正ゲインＫａとの関係を示しており、指標値Ｉが１以下では補正ゲインＫａを１とし、指標値が１を超えて１以上に設定される設定値α以下では補正ゲインＫａが放物線を描いて下降し、指標値Ｉが設定値αを超えると補正ゲインＫａが指標値Ｉに反比例して下降するようになっている。指標値Ｉは、Ｉ＝Ｕｒ／Ｓｒとなっており、変位指令レベルＵｒがストローク制限値Ｓｒに対して大きくなると、補正ゲインＫａが小さくなるようになっている。

本例では、具体的には、図８に示したマップでは、設定値αを２として、Ｉ≦１の範囲では、Ｋａ＝１とし、１＜Ｉ≦αの範囲では、Ｋａ＝−０．２（Ｉ−α）^２＋１、つまり、Ｋａ＝−０．２（Ｉ−２）^２＋１とし、α＜Ｉの範囲では、Ｋａ＝１．６／Ｉとしてある。このように設定すると、指標値Ｉが１の時にＫａ＝１とＫａ＝−０．２（Ｉ−２）^２＋１の値が一致し両者の傾きも一致する。さらに、指標値Ｉが２の時にＫａ＝−０．２（Ｉ−２）^２＋１とＫａ＝１．６／Ｉの値が一致し両者の傾きも一致する。よって、このようにマップを設定すると、指標値Ｉが１とαを跨いで変化する際に補正ゲインＫａが連続して急変しない。

以上のように、指標値Ｉが１以下では補正ゲインＫａを１とし、指標値が１を超えて１以上に設定される設定値α以下では補正ゲインＫａが放物線を描いて下降し、指標値Ｉが設定値αを超えると補正ゲインＫａが指標値Ｉに反比例して下降するようにマップを設定すれば、指標値Ｉが１と設定値αを跨いで変化する際に補正ゲインＫａが連続して急変しない。よって、補正後の変位指令Ｕ’の値が補正ゲインＫａによって急変しないので、可動マス２の速度に振動が生じて構造物Ｓの振動抑制効果を減じてしまう恐れがない。

なお、この場合、変位指令レベルＵｒがストローク制限値Ｓｒの二倍の値になると指標値Ｉが２となり、補正ゲインＫａが０．８となる。この場合、補正後の変位指令Ｕ’の上限値は、ストローク制限値Ｓｒの１．６倍となるので、予め、ストローク制限値Ｓｒの値を前記最大変位値を１．６で除した値以下に設定すれば、最大変位値を超える変位の指示を阻止できる。このようにα、Ｋａを求めるマップの設定により、ストローク制限値Ｓｒを適宜最適となるように設定すればよい。また、αの値、１＜Ｉ≦αの範囲における放物線の数式、α＜Ｉの範囲における指標値Ｉに反比例の数式については、構造物Ｓの制振に適するように変更できる。

以上、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱しない限り、改造、変形、及び変更が可能である。

１・・・アクティブマスダンパ、２・・・可動マス、３・・・アクチュエータ、４・・・加速度センサ、５・・・制御部、８・・・フィードバック制御部、９・・・変位センサ、１０・・・ゲイン乗算部、Ｃ・・・コントローラ（制御装置）、Ｓ・・・構造物

Claims (5)

1. 構造物に対して往復動可能に設置される可動マスと、
   前記可動マスを駆動するアクチュエータと、
   前記アクチュエータを制御する制御部と、
   前記構造物の加速度を検知する加速度センサとを備え、
   前記制御部は、前記可動マスの変位を指示する変位指令から前記構造物の加速度までの伝達関数に基づいて、前記加速度センサが検知した加速度のみから前記変位指令を生成する
   ことを特徴とするアクティブマスダンパ。
2. 前記変位指令の大きさである変位指令レベルと前記可動マスのストローク制限値とに基づいて前記変位指令に乗じる補正ゲインを求め、前記変位指令に前記補正ゲインを乗じるゲイン乗算部を備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載のアクティブマスダンパ。
3. 前記ゲイン乗算部は、
   前記変位指令レベルを前記ストローク制限値で除した指標値をパラメータとして、
   前記指標値が１以下では前記補正ゲインを１とし、前記指標値が１を超えて１以上に設定される設定値以下では前記補正ゲインが放物線を描いて下降し、前記指標値が前記設定値を超えると前記補正ゲインが前記指標値に反比例して下降するマップを用いて前記補正ゲインを求める
   ことを特徴とする請求項２に記載のアクティブマスダンパ。
4. 前記可動マスの変位を検知する変位センサと、
   前記変位指令と前記変位センサが検知する前記可動マスの変位とに基づいてフィードバック制御するフィードバック制御部とを備えた
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のアクティブマスダンパ。
5. 構造物に対して往復動可能に設置される可動マスを駆動するアクチュエータを制御するアクティブマスダンパの制御装置であって、
   前記制御装置は、前記構造物の加速度を検知する加速度センサとを備え、
   前記可動マスの変位を指示する変位指令から前記構造物の加速度までの伝達関数に基づいて、前記加速度センサが検知した加速度のみから前記可動マスの変位を指示する変位指令を生成する
   ことを特徴とするアクティブマスダンパの制御装置。

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