JPH0455577A - 構造物の制振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、例えばビル、アンテナ、原子力の制御盤な
どに代表される構造物の振動を低減する制振装置に関し
、特に油圧、空気圧、あるいは電磁制御による外部エネ
ルギーを利用したサーボ減衰器に関するものである。

〔従来の技術〕

第４図は、例えば特開昭６０−１２３６７５号公報に開
示された従来の構造物の制振装置を示す一部断面構成図
である。図において、（１）は地震などの外力を受けて
振動を生ずる構造物で、例えばビル、アンテナ、原子力
の制御盤などである。

（２）は構造物（１）が設置される地盤、（３）は構造
物（１）の水平方向の振動を検出する第１の振動検出器
で、この例では加速度計である。

（１１）は付加重錘（８）の水平方向の振動を検出する
第２の振動検出器で、この例では加速度計である。（４
）はこれら第１゛、第２の振動検出器（３）、　　（１
１）からの検出信号を基にアクチュエータ（６）を制御
し、このアクチュエータ（６）の駆動部（７）に結合さ
れた付加重錘（８）を駆動する制御回路である。（９）
はアクチュエータ（６）の静止部を構造物（１）に固定
する取付は台、（１０）は付加重錘（８）と構造物（１
）間に挿入されるばねである。

第５図は第４図の構造物の制振装置の制御システムを示
すブロック図である。図において、（３）は第１の振動
検出器、（１１）は第２の振動検出器、（６）はアクチ
ュエータ、（４）は制御回路で、この制御回路（４）内
の（４ａ）（４ｂ）　、　　（４ｃ）は積分回路、（４
ｅ）は演算回路である。

第６図は第４図の構造物の制振装置におけるアクチュエ
ータの一例を示す拡大断面図である。図において、（６
）はアクチュエータ、（６ａ）は円筒状の永久磁石、（
６ｂ）は円柱状のセンタポール、（６ｃ）は励磁ヨーク
、（６ｄ）は駆動コイル、（６ｅ）は駆動コイル（６ｄ
）を支承するサポートであり、サポート（６ｅ）の他端
には付加重錘（８）を固着し、直進往復駆動自在とする
。アクチュエータく６）の静止部は取付は台（９）を介
して構造物（１）に固定されている。その他、（７）は
アクチュエータ（６）の駆動部、（１０）はばねである
。

次に、上記従来の構造物の制振装置の動作について、第
４図〜第６図を参照して説明する。構造物（１）が地震
などの外力による地盤振動を受けて水平方向に振動する
と、この構造物（１）の振動加速度は第１の振動検出器
（３）により、また付加重錘（８）の振動加速度は第２
の振動検出器（１１）によりそれぞれ電気信号として検
出される。この電気信号は制御回路（４）へ伝送され、
積分回路（４ａ）　、　　（４ｂ）で１目積分され振動
速度振動となり、積分回路（４ａ）を経て伝送された構
造物（１）の振動速度信号が積分回路（４ｃ）で１目積
分され振動変位信号となる。各積分回路（４ａ）〜（４
ｃ）からの信号は各々の信号の位相。

ゲインを調節し所要の出力を得るように演算回路（４ｅ
）で加減算を行い、この演算回路（４ｅ）の出力信号を
基に電力増幅してアクチュエータ（６）の駆動を制御し
、付加重錘（８）を駆動させる。

このように、構造物（１）の振動を検出する第１の振動
検出器（３）及び付加重錘（８）の振動を検出する第２
の振動検出Ｂ（１１）からの検出信号に応じてアクチュ
エータ（６）を駆動させるフィールドバックサーボ機機
を構成する。また、制御回路（４）からの制御信号、す
なわち駆動電流はアクチュエータ（６）の駆動コイル（
６ｄ）に供給され、その結果、電磁効果により駆動コイ
ル（６ｄ）には電磁力が発生し、駆動コイル（６ｄ）を
支承するサポート（６ｅ）　、駆動部（７）を介して付
加重錘（８）を水平駆動させる。

この時、制御回路（４〉内の積分回路（４ａ）〜（４ｃ
）及び演算回路（４ｅ）の機能は次のようになる。まず
、第１の振動検出器（３）から積分回路（４ａ）を経て
アクチュエータ（６）に至る制ｗ系は、構造物（１）の
振動速度に応じた駆動力であるダンピング力を構造物（
１−）へ付与する機能を有し、構造物（１）の減衰特性
、すなわち動的剛性の改善を行う。積分回路（４ｃ）か
らアクチュエータ（６）に至る制御系は、構造物（１）
の振動変位に応じた駆動力を構造物（１）へ付与する機
能を有し、構造物（１）のばね特性、すなわち静的特性
の改善を行う。付加重錘（８）に装着する第２の振動検
出器（１１）から積分回路（４ｂ）を経てアクチュエー
タ（６）に至る制御系は、付加重錘（８）の振動速度に
応じた駆動力を発生するもので、これは付加重錘（８）
にダンピング力を与え、付加重錘（８）の発振を抑制し
て安定化を図るものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の構造物の制振装置は以上のように構成されている
ので、構造物（１）の減衰特性の改善には有効であるが
、風荷重などの低周波振動入力が構造物（１）に作用し
た場合には、アクチュエータ（６）と付加重錘（８）と
の相対変位であるストロークが増大するという問題点か
あフた。また、従来これらの防止策として遮断特性の良
好なバンドパスフィルタを用いているが、風入力のよう
に、そのスペクトル成分が広帯域に渡る場合には、制振
装置の制振性能が低下するという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、風荷重のような比較的広帯域に渡る低周波振
動人力が作用した場合にもストロークが小さくできると
共に、アクチュエータの駆動に要する制御力と電力を減
少でき、構造物に搭載する部分が小型で高性能な構造物
の制振装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る構造物の制振装置は、外力を受けて振動
を生ずる構造物に設置されたアクチュエータ、このアク
チュエータにより駆動される付加重錘、上記構造物の振
動を検出する第１の振動検出器、上記付加重錘の振動を
検出する第２の振動検出器、並びに第１の振動検出器の
検出信号から上言己構造物の振動速度信号を、および第
２の振動検出器の検出信号から上記付加重錘の振動速度
信号を得、上記構造物の振動速度信号を、上記構造物の
固有振動数で最大ゲインを持ちそれ以外の成分では滑ら
かに減衰するバントパスフィルタに通過させることによ
り構造物フィールドバック信号を得、この構造物フィー
ルドバック信号と上記付加重錘の振動速度信号とから上
記アクチュエータの駆動信号を得、この信号に基づいて
上記アクチュエータを制御し、上記付加重錘を駆動させ
る制御回路を備えたものである。

〔作用〕

この発明による構造物の制振装置においては、風荷重な
どの比較的広帯域に渡る低周波振動の外力が構造物に作
用した時、構造物の固有振動数で最大ゲインを持ち、そ
れ以外の成分では滑らかに減衰するバンドパスフィルタ
を用いることにより、構造物の固有振動数以外の領域で
は、付加重錘によって構造物に作用させる制御力が小さ
く、アクチュエータ系の固有振動数と風荷重のゆらぎの
卓越周波数との共振を避けることができるため、アクチ
ュエータのストロークを低減でき、バンドパスフィルタ
の特性が滑らかに減衰するので、比較的広帯域に渡る人
カスベクトルに対し構造物の固有振動数付近の人力に対
しても制振作用が有効に慟〈ため、フィルタを挿入して
も制振性能が低下せず、これにより構造物に搭載する部
分が小型で高性能な構造物の制振装置が得られる。

（実施例〕 以下、この発明の一実施例を図をもとに説明する。第１
図はこの発明の一実施例による構造物の制振装置を示す
一部断面構成図である。第１図において、（１）は風や
地震などの外力を受けて振動を生じる構造物で、例えば
ビル、アンテナ、原′子力の制御盤などである。（２）
は構造物（１）が設置される地盤、（３）は構造物（１
）の水平方向の振動を検出する第１の振動検出器で、こ
の例で上顎速度系である。（１１）はイ寸加重錘（８）
の水平方向の振動を検出する第２の振動検出器で、この
例では加速度系である。（５）はバンドパスフィルタで
あり、構造物（１）の固有振動数で最大ゲインを持ちそ
れ以外の成分では滑らかに減衰するように構成されてい
る。（４）は制御回路であり、第１の振動検出器（３）
の検出信号から構造物（１）の振動速度信号を、および
第２の振動検出器（１１）の検出信号から付加重錘（８
）の振動速度信号を得、構造物の振動速度信号をバント
パスフィルタに通過させることにより構造物フィールド
バック信号を得、この構造物フィールドバック信号と上
記付加重錘の振動速度信号とからアクチュエータ（６）
の駆動信号を得、この信号に基づいてアクチュエータ（
６）を制御し、このアクチュエータ（６）の駆動部（７
）に結合された付加重錘（８）を駆動させるものである
。

（９）はアクチュエータ（６）の静止部を構造物（１）
に固定する取り付は台である。

さてここで、この発明による構造物の制振装置の振動低
減原理は、構造物（１）に強制力（外力）と制御力とが
作用した時に成立する次の方程式を前提とする。

ただし、Ｍ、：構造物（１）の質量 Ｋｓ：　　　　ｎ　　　の剛性 Ｘｓ：　　　　／／　　　の変位 ｍｄ：付加重錘（８）の質量 Ｘ（１：　　　　／／　　　　の変位 Ｆ：外力 Ｕ：制御力 ここで制御力Ｕを次のように構成する。

Ｕ　＝　Ｃ５−Ｇ−交Ｓ　　Ｃｄｘｄ　　　　−■ただ
し、Ｃ５：構造物の速度フィードバックゲイン（動剛性
の改善） Ｃｄ：付加重錘速度フィードバックゲイン（安定化） Ｇ：フィルタゲイン 上記０式に上記０式を代入すると、 となり、■式から判るように、それぞれのフィールドバ
ックゲインによって各特性を改善することができる。

ここで■をラプラス変換すると、 ・・・■ たたし、Ｓニラプラス演算子 Ｘｓ（Ｓ）　、Ｘｄ（Ｓ）　、Ｇ（Ｓ）　、Ｆ（Ｓ）　
：ソれぞれＸＳ、Ｘｄ、Ｇ、Ｆのラプラス変換■の第１
式におけるフィルタゲインＣ（Ｓ）は角周波数Ｗの関数
である。

第２図は、第１図の構造物の制振装置の制御システムを
示すブロック図である。図において、（４）は制御回路
であり、この制御回路（４）内の（４ａ）　、　　（４
ｂ）は積分回路、（４ｅ）は演算回路である。また（５
）はバンドパスフィルタであり、このバンドパスフィル
タ（５）内の（５ａ）はフィルタ形状設定回路、（５ｂ
）はフィルタ回路である。

積分回路（４ａ）は、第１の振動検出器（３）より検出
された構造物（１）の振動加速度信号を振動速度信号に
変換し、積分回路（４ｂ）は、第２の振動検出器（１１
）より検出された付加重錘（８）の振動加速度信号を振
動速度信号に変換する。また演算回路（４ｅ）は、積分
回路（４ａ）の信号をフィルタ回路（５ｂ）を通過させ
ることによって得られる信号と積分回路（４ｂ）からの
信号を受けて、所要の出力を得るように、上・記■式に
よって各々の信号の位相、ゲインを調整し加減算を行な
う。演算回路（４ｅ）の出力を基に電力増幅してアクチ
ュエータ（６）の駆動を制御し、付加重錘を駆動させる
。このように、構造物（１）の振動を検出する第１の振
動検出器（３）および付加重錘（８）の振動を検出する
第２の振動検出器（１１）からの検出信号に応じて、ア
クチュエータ（６）を駆動させるフィードバックサーボ
機構を構成する。

第３図はフィルタＧ（Ｓ）の一実施例による形状を示し
たもので０式で表わされる。

ただし、ｗ３：構造物の固有角周波数 このバンドパスフィルタ（５）は構造物の固有角振動数
で最大ゲインを持ち、それ以外の成分では滑らかに減少
するようになっているため、構造物の固有角振動数が多
少変化しても制御効果は変化しない。

表は１、この発明の一実施例による構造物の制振装置と
従来の制振装置において、風速がそれぞれ３０ｍ／ｓ　
、　４０ｍ／ｓ　、　５６ｍ／ｓの３種類の風荷重が作
用した時に構造物（１１）に発生する変位と加速度、付
加重錘（８）に必要なストローク、アクチュエータ駆動
に要する制御力と電力を比較して示す効果比較表である
。

この効果比較表から明らかなように、バンドパスフィル
タ（５）を用いる事により構造物の振動低減効果を悪化
させずに、ストローク、制御力。

電力は大幅に減少できる。たとえば風速３０＋ｏ／ｓの
場合、ストロークは３２％、制御力は８９％、電力は５
４％に減少し、これによりこの発明による効果が顕著に
表われる。

（以下余白） なお、上記実施例ではこの装置を構造物（１）の最上階
に設置した場合について示したが、何れの階に設置して
も上記実施例と同様の効果を奏するのは言うまでもない
。

また上記実施例では、箪１．第２の振動検出器（３）、
　　（１１）として加速度計を用いた場合について説明
したが、速度計であってもよく、この場合は第２図に示
す積分回路（４ａ）　、　　（４ｂ）が不要となる。

またアクチュエータ（６）としては電磁アクチュエータ
の他、空気圧喝よび油圧アクチュエータの何れを用いて
もよい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、外力を受けて振動を
生ずる構造物に設置されたアクチュエータ、このアクチ
ュエータにより駆動される付加重錘、上記構造物の振動
を検出する第１の振動検出器、上記付加重錘の振動を検
出する第２の振動検出器、並びに第１の振動検出器の検
出信号から上記構造物の振動速度信号を、および第２の
揚動検出器の検出信号から上記付加重錘の振動速度信号
を得、上記構造物の振動速度信号を、上記構造物の固存
振動数で最大ゲインを持ちそれ以外の成分では滑らかに
減衰するバンドパスフィルタに通過させることにより構
造物フィードバック信号を得、この構造物フィードバッ
ク信号と上記付加重錘の振動速度信号とから上記アクチ
ュエータの駆動信号を得、この信号に基づいて上記アク
チュエータを制御し、上記付加重錘を駆動させる制御回
路を備えたので、風荷重のような比較的広帯域に渡る低
周波振動人力が作用した場合にもストロークが小さくで
きると共に、アクチュエータの駆動に要する制御力と電
力を減少でき、構造物に搭載する部分が小型で高性能な
構造物の制振装置か得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による構造物の制振装置を
示す一部断面構成図、第２図は第１図のものの制御シス
テムを示すブロック図、第３図は第１図のバントパスフ
ィルタに設定されるフィルタ形状の一実施例を示すフィ
ルタ特性図、第４図は従来の構造物の制振装置を示す一
部断面構成図、第５図は第４図のものの制振装置の制御
システムを示すブロック図、第６図は第４図の構造物の
制振装置に用いられるアクチュエータの〜例を示す拡大
断面図である。 図において、（１）は構造物、（２〉は地盤、（３）は
第１の振動検出器、（４）は制御回路、（４ａ）　　（
４ｂ）は積分回路、（４ｅ）は演算回路、（５）はバン
ドパスフィルタ、（５ａ）はフィルタ形状設定回路、（
５ｂ）はフィルタ回路、（６）はアクチュエータ、（８
）は付加重錘、（１１）は第２の振動検出器である。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 外力を受けて振動を生ずる構造物に設置されたアクチュ
   エータ、このアクチュエータにより駆動される付加重錘
   、上記構造物の振動を検出する第１の振動検出器、上記
   付加重錘の振動を検出する第２の振動検出器、並びに第
   １の振動検出器の検出信号から上記構造物の振動速度信
   号を、および第２の振動検出器の検出信号から上記付加
   重錘の振動速度信号を得、上記構造物の振動速度信号を
   、上記構造物の固有振動数で最大ゲインを持ちそれ以外
   の成分では滑らかに減衰するバンドパスフィルタに通過
   させることにより構造物フィールドバック信号を得、こ
   の構造物フィールドバック信号と上記付加重錘の振動速
   度信号とから上記アクチュエータの駆動信号を得、この
   信号に基づいて上記アクチュエータを制御し、上記付加
   重錘を駆動させる制御回路を備えた構造物の制振装置。