JPH0652016B2 - Vibration control device for structures - Google Patents
Vibration control device for structuresInfo
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- JPH0652016B2 JPH0652016B2 JP62185038A JP18503887A JPH0652016B2 JP H0652016 B2 JPH0652016 B2 JP H0652016B2 JP 62185038 A JP62185038 A JP 62185038A JP 18503887 A JP18503887 A JP 18503887A JP H0652016 B2 JPH0652016 B2 JP H0652016B2
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Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は構造物の制振装置に係り、特にLQ制御理論
(線形2次形式の評価関数を最小にする最適制御理論)
に基づくソフトウエアサーボによりアクティブマスダン
パを駆動制御して構造物の振動制御を行なうようにした
構造物の制振装置に関する。The present invention relates to a structure vibration damping device, and more particularly to LQ control theory (optimal control theory that minimizes a linear quadratic evaluation function).
The present invention relates to a vibration control device for a structure, in which the active mass damper is driven and controlled by a software servo based on the control system to control the vibration of the structure.
[従来の技術] 制振装置は受動形と能動形とに大別される。能動形の制
振装置は、制振器と、制振器を駆動するアクチュエータ
と、センサの検出信号に基づきアクチュエータを制御す
る制御回路とから構成されている。能動形の制振装置で
は、制振のためのエネルギーが外部から補給されると共
にフィードバック制御系を有するために、受動形のもの
に比べて大きな制振力が得られ、また制振対象の振動特
性の変動にある程度対応することができる。[Prior Art] Vibration damping devices are roughly classified into passive type and active type. The active vibration damping device includes a vibration damper, an actuator that drives the vibration damper, and a control circuit that controls the actuator based on a detection signal from the sensor. Since the active type vibration damping device is supplied with energy for damping from the outside and has a feedback control system, a large damping force can be obtained compared to the passive type, and the vibration of the damping target It is possible to cope with a change in characteristics to some extent.
[発明が解決しようとする問題点] ところが、能動形の制振装置では、アクチュエータの制
御をあやまると制振器が加振源になりかねない。また、
例えば2次元方向の制振に対しては、それぞれの方向に
専用の制振器を設けるため、各制振器ごとに合計2つの
制振用の質量が必要となり、制振装置が高重量で大型な
ものとなってしまう。[Problems to be Solved by the Invention] However, in the active vibration damping device, if the control of the actuator is abandoned, the vibration damper may serve as a vibration source. Also,
For example, for two-dimensional vibration control, a dedicated vibration control device is provided in each direction, so a total of two vibration control masses are required for each vibration control device. It becomes a large one.
ところで、最近の機械構造物の振動解析やFFT技術に
基礎をおく振動応答測定,データ処理技術の進歩はめざ
ましいものがあり、これらの技術を制振装置の設計等に
活用することがますます期待されている。しかし、構造
物は分布定数系であるので無限の自由度を有している
が、コンピュータの演算速度やメモリーの容量などの制
約から、制振のための制御系の設計のためには、これを
有限自由度に打ち切る必要がある。そのとき、打ち切ら
れた高次のモードと制御されるモードとの間の相互作用
によって制御系が不安定となることがある。この現象は
スピルオーバ不安定と呼ばれ、宇宙構造物に代表される
柔軟軽量構造物(太陽電池パドル,アンテナなどの宇宙
構造物は柔軟構造で減衰がほとんどない一方、高度な制
振が要求される。)の能動的制振において大きな問題と
なっており、その対策が強く望まれている。By the way, the recent progress in vibration analysis of mechanical structures, vibration response measurement based on FFT technology, and data processing technology is remarkable, and it is expected that these technologies will be used more and more in the design of vibration control devices. Has been done. However, since the structure is a distributed constant system, it has infinite degrees of freedom.However, due to restrictions such as computer calculation speed and memory capacity, this is required for designing a control system for damping. Must be truncated to a finite degree of freedom. At that time, the interaction between the truncated higher-order mode and the controlled mode may cause the control system to become unstable. This phenomenon is called spillover instability, and flexible lightweight structures represented by space structures (solar cell paddles, antennas, and other space structures are flexible structures with almost no damping, but high-level vibration control is required). ) Has become a major problem in active vibration control, and its countermeasures are strongly desired.
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、小型
・軽量で、良好な制振ができる汎用性ある制振装置を提
供することにある。また本発明の他の目的は、スピルオ
ーバ不安定を解消し得る制振装置を提供することにあ
る。An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and to provide a general-purpose vibration damping device that is compact and lightweight and that can perform good vibration damping. Another object of the present invention is to provide a vibration damping device capable of eliminating spillover instability.
[問題点を解決するための手段] 上記の目的を達成するために、第1の発明は、水平2方
向に振動する制振対象構造物の最も大きく振動する部分
あるいはその付近に取り付けられ、その2方向に振動可
能に設けられた2次元アクティブ質量を有する2次元ア
クティブマスダンパと、2次元アクティブ質量に2次元
方向の変位力を与えるアクチュエータと、制振対象構造
物の振動を検出するセンサと、当該制振対象構造物に近
似する振動モデルのオブザーバを有し、前記センサの検
出信号を入力としてオブザーバを作動させることにより
当該制振対象構造物で実際に起こっている現象に近い状
態量を観測し、この状態量と前記アクチュエータの制御
量とについての線形2次形式の評価関数を最小にする状
態フィードバックゲインを計算し、得られた状態フィー
ドバックゲインを当該状態量に掛け合わせて前記アクチ
ュエータの制御量を決定する制御装置とを備えて構成さ
れる。[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above-mentioned object, the first invention is attached to the most vibrating portion of a structure to be damped that vibrates in two horizontal directions or in the vicinity thereof, and A two-dimensional active mass damper having a two-dimensional active mass provided so as to be able to vibrate in two directions, an actuator that applies a displacement force in the two-dimensional direction to the two-dimensional active mass, and a sensor that detects vibration of a structure to be damped , Having an observer of a vibration model that approximates the structure to be damped, and by operating the observer with the detection signal of the sensor as an input, a state quantity close to a phenomenon actually occurring in the structure to be damped is obtained. Observe and calculate the state feedback gain that minimizes the linear quadratic evaluation function for this state quantity and the control quantity of the actuator. And a control device for determining the control amount of the actuator by multiplying the state quantity by the state feedback gain.
また、第2の発明は、水平2方向に振動する制振対象構
造物の最も大きく振動する部分あるいはその付近に取り
付けられ、その2方向に振動可能に設けられた2次元ア
クティブ質量を有する2次元アクティブマスダンパと、
2次元アクティブ質量に2次元方向の変位力を与えるア
クチュエータと、制振対象構造物の振動を検出するセン
サと、当該制振対象構造物に近似する振動モデルのオブ
ザーバを有し、前記センサの検出信号を入力としてオブ
ザーバを作動させることにより当該制振対象構造物で実
際に起こっている現象に近い状態量を観測し、この状態
量と前記アクチュエータの制御量とについての線形2次
形式の評価関数を最小にする状態フィードバックゲイン
を計算し、得られた状態フィードバックゲインを当該状
態量に掛け合わせて前記アクチュエータの制御量を決定
する制御装置と、この制御装置により制振しようとする
振動モードよりも高次のモードの振動を吸振すべく当該
制振対象構造物に取り付けられた動吸振器とを備えて構
成される。A second aspect of the present invention is a two-dimensional structure having a two-dimensional active mass, which is attached to or near the largest vibrating portion of a structure to be damped, which vibrates in two horizontal directions, and has a two-dimensional active mass provided so as to vibrate in the two directions. An active mass damper,
An actuator that applies a displacement force in a two-dimensional direction to the two-dimensional active mass, a sensor that detects the vibration of the structure to be damped, and an observer of a vibration model that approximates the structure to be damped are detected by the sensor. A state quantity close to a phenomenon actually occurring in the structure to be damped is observed by operating the observer with a signal as an input, and a linear quadratic evaluation function for this state quantity and the control quantity of the actuator is observed. A state feedback gain that minimizes, and a control device that determines the control amount of the actuator by multiplying the obtained state feedback gain by the state amount, and a vibration mode that is intended to be damped by this control device. And a dynamic vibration absorber attached to the structure to be damped in order to absorb high-order mode vibrations.
[作用] 制振装置内に制振対象構造物に近似する振動モデルのオ
ブザーバ(疑似回路)を作り、このオブザーバにより制
振対象構造物で実際に起っている現象に近い状態量を観
測し、この状態量にフィードバックゲインを掛け合せて
制御量を作る。そして、この制御量によりアクチュエー
タを作動し、アクティブマスダンパの制振力をコントロ
ールする。[Operation] An observer (pseudo-circuit) of a vibration model that approximates the structure to be damped is created in the vibration damping device, and this observer observes the state quantity close to the phenomenon actually occurring in the structure to be damped. , This state quantity is multiplied by the feedback gain to make a control quantity. Then, the actuator is operated by this control amount to control the vibration damping force of the active mass damper.
第1の発明では、アクチュエータにより2次元アクティ
ブ質量が2次元方向に変位するので、1つの2次元アク
ティブ質量により2次元振動を抑えることができる。ま
た、第2の発明では、制御回路により制振しようとする
振動モードよりも高次の振動モードはパッシブな動吸振
器により吸振されるので、スピルオーバ不安定を緩和し
抑制することができる。In the first aspect of the invention, the two-dimensional active mass is displaced in the two-dimensional direction by the actuator, so that the two-dimensional vibration can be suppressed by one two-dimensional active mass. Further, in the second aspect of the present invention, since the vibration mode higher than the vibration mode to be damped by the control circuit is absorbed by the passive dynamic vibration absorber, the spillover instability can be alleviated and suppressed.
[実施例] 以下に本発明の実施例を図面を用いて説明する。この実
施例ではタワー,ビル,支柱等の塔状構造物の制振を例
に挙げて説明する。Embodiments Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In this embodiment, vibration suppression of tower-like structures such as towers, buildings and columns will be described as an example.
第1図に本実施例の制振装置の概略を示す。FIG. 1 shows an outline of the vibration damping device of this embodiment.
塔状構造物1の上端には2次元アクティブマスダンパ2
が取り付けられ、中間に付加した質量3には、2次元モ
ードの制振のために2重動吸振器4がx方向とy方向と
に付けられている。塔状構造物1の振動はx軸、y軸方
向に取付けられた非接触形の変位センサ5で検出され
て、2次元のソフトウェアサーボ制御装置6と4チャン
ネルのFFTアナライザ7に送られる。ソフトウェアサ
ーボ制御装置6は、A−Dコンバータ,数値演算プロセ
ッサを内蔵して16bitのCPUを有する一台のパーソナ
ルコンピュータと、二個のドライブユニットからなって
いる。FFTアナライザ7は振動解析用のものである。A two-dimensional active mass damper 2 is provided at the upper end of the tower structure 1.
Is attached, and a double dynamic vibration absorber 4 is attached to the mass 3 added in the middle in the x direction and the y direction for damping of the two-dimensional mode. The vibration of the tower-shaped structure 1 is detected by a non-contact type displacement sensor 5 attached in the x-axis and y-axis directions and sent to a two-dimensional software servo control device 6 and a four-channel FFT analyzer 7. The software servo control device 6 is composed of one personal computer having a 16-bit CPU with a built-in A / D converter and a numerical operation processor, and two drive units. The FFT analyzer 7 is for vibration analysis.
第1図,第3図に示す塔状構造物1は制振研究用のもの
であって、一辺50mm,肉厚2.3mm,長さ1500mmの軟鋼製
中空角柱の上端にアクチュエータ取り付け台を有し、下
端固定端から900mmの位置に5.3kgの付加質量3が取り付
けられている。The tower-like structure 1 shown in Figs. 1 and 3 is for vibration damping research, and has an actuator mount on the upper end of a mild steel hollow prism with a side of 50 mm, a wall thickness of 2.3 mm and a length of 1500 mm. The additional mass 3 of 5.3 kg is attached at a position 900 mm from the fixed end of the lower end.
第3図は、塔状構造物1の1次と2次の振動モードを示
す。2次モードの腹が質量3の位置になっていることが
わかる。腹はそのモードの振動特性に最も影響を及ぼす
ところであり、そこに質量を取り付けると固有振動数の
低下が最大となる。このように、質量3の位置を2次モ
ードの腹にしたのは、2次モードの固有振動数を低下さ
せて、1次モードに対する影響を強めることによって、
スピルオーバ不安定を起こし易くするためであり故意に
このような構造にしている。なお、第3図から、2次モ
ードの節は上端から210mm下にあることがわかる。FIG. 3 shows the primary and secondary vibration modes of the tower-shaped structure 1. It can be seen that the antinode of the secondary mode is at the position of mass 3. The antinode has the greatest influence on the vibration characteristics of the mode, and when the mass is attached thereto, the natural frequency is most reduced. In this way, the position of the mass 3 is set to the antinode of the secondary mode by decreasing the natural frequency of the secondary mode and strengthening the influence on the primary mode.
This structure is intentionally used to facilitate instability of spillover. It should be noted from FIG. 3 that the node of the secondary mode is 210 mm below the upper end.
塔状構造物1の上端を加振した時、その位置で生ずる変
位との間のコンプライアンスの計算結果を第2図に示
す。1次の固有振動数は11.9Hz,2次は70Hz,3次は33
5Hzに認められる。2次の固有振動数は腹に質量3のな
い時100Hzであったものが、質量3の付加によって70Hz
に低下した。FIG. 2 shows the calculation result of the compliance with the displacement generated at the position when the upper end of the tower-shaped structure 1 is vibrated. 1st natural frequency is 11.9Hz, 2nd is 70Hz, 3rd is 33
Allowed at 5Hz. The secondary natural frequency was 100 Hz when there was no mass 3 on the antinode, but 70 Hz due to the addition of mass 3.
Fell to.
上端のアクチュエータ取り付け位置における各モードの
等価質量Mi(i=1,2)と等価剛性Ki(i=1,2)は本発明
者らの提案した多自由度系の等価質量同定法(背戸ほ
か、日本機械学会理論文集(c編)53巻485号P.52〜52
(昭和62年))を用いて求めた。1次,2次モードの等
価質量はM1=6.6kg,M2=10.0kg,また等価剛性は
K1=2.86×104N/m,K2=1.56×106N/mであった。な
お、これらの振動特性はx軸方向に関するものである
が、y軸方向についてもほぼ同じ値が得られている。The equivalent mass Mi (i = 1,2) and the equivalent rigidity Ki (i = 1,2) of each mode at the actuator mounting position at the upper end are the equivalent mass identification method of the multi-degree-of-freedom system proposed by the present inventors (Shodo et al. , The Japan Society of Mechanical Engineers Theory Collection (C), Volume 53, No. 485, P.52-52
(1987)). The equivalent masses of the first and second modes were M 1 = 6.6 kg, M 2 = 10.0 kg, and the equivalent stiffness was K 1 = 2.86 × 10 4 N / m, K 2 = 1.56 × 10 6 N / m. . Although these vibration characteristics are related to the x-axis direction, almost the same values are obtained in the y-axis direction.
2次元アクティブマスダンパ2の構造を第4図に示す。
ケーシング8の中央に配置された正方形平板状の質量9
は、4個のリング状ばね10によってその4辺が支えられ
ている。このような構造を採ることによって、質量9の
上下方向の動きは機械的接触なく規制され、水平2次元
方向のみ動くことができるので、これを2次元アクティ
ブ質量と呼ぶことにする。この質量9の上下面には永久
磁石11がそれぞれ接着されている。永久磁石11はア
クティブ質量9側の接着面がS極、その反対側の外側面
がN極となっている(なお極性は逆でもよい)。永久磁
石11,11の上方および下方にはアクティブ質量9を
挟む形で電磁石12,12がそれぞれ設けられている。
電磁石12,12は互いに90度ずらせて配置されてお
り、一方の電磁石12の磁極間方向がx方向に、もう一
方の電磁石12の磁極間方向がy方向になっている。電
磁石12に+電流,−電流を流すことによって、永久磁
石11との間に吸引力,反発力が発生し、アクティブ質
量9の制御力が得られる。一方の電磁石12と永久磁石
11とによりアクティブ質量9にx方向の変位力が、ま
たもう一方の電磁石12と永久磁石11とによりy方向
の変位力が加えられる。したがって、電磁石12,12
と永久磁石11,11は2次元アクティブ質量9の2次
元方向のリニアアクチュエータである。The structure of the two-dimensional active mass damper 2 is shown in FIG.
Square plate-shaped mass 9 arranged in the center of the casing 8
Is supported on its four sides by four ring-shaped springs 10. By adopting such a structure, the movement of the mass 9 in the vertical direction is restricted without mechanical contact, and the mass 9 can move only in the horizontal two-dimensional direction. Therefore, this is called a two-dimensional active mass. Permanent magnets 11 are adhered to the upper and lower surfaces of the mass 9, respectively. The permanent magnet 11 has an S-pole on the adhesive surface on the active mass 9 side and an N-pole on the opposite outer surface (the polarities may be reversed). Electromagnets 12 and 12 are provided above and below the permanent magnets 11 and 11 with the active mass 9 interposed therebetween.
The electromagnets 12, 12 are arranged so as to be offset from each other by 90 degrees, and the direction between the magnetic poles of one electromagnet 12 is the x direction, and the direction between the magnetic poles of the other electromagnet 12 is the y direction. By supplying a + current and a −current to the electromagnet 12, an attractive force and a repulsive force are generated between the electromagnet 12 and the permanent magnet 11, and the control force of the active mass 9 is obtained. A displacement force in the x direction is applied to the active mass 9 by the one electromagnet 12 and the permanent magnet 11, and a displacement force in the y direction is applied by the other electromagnet 12 and the permanent magnet 11. Therefore, the electromagnets 12, 12
The permanent magnets 11 and 11 are linear actuators of the two-dimensional active mass 9 in the two-dimensional direction.
第5図には、このアクチュエータへの入力電流に対する
アクティブ質量9の変位の静特性を示す。x軸、y軸に
よって多少感度に違いはあるが、両者共に良い線形性が
得られていることがわかる。FIG. 5 shows the static characteristic of the displacement of the active mass 9 with respect to the input current to this actuator. Although the sensitivities are somewhat different depending on the x-axis and the y-axis, it can be seen that good linearity is obtained for both.
なお、2次元アクティブマスダンパ2の諸元は次のよう
になっている。The specifications of the two-dimensional active mass damper 2 are as follows.
アクチィブ質量 m=0.25kg x軸方向ばね定数 kx=2850N/m y軸方向ばね定数 ky=2850N/m したがって、各軸方向の固有振動数は、x軸,y軸共17
Hzとなっている。Akuchiibu mass m = 0.25 kg x-axis spring constant k x = 2850N / m y-axis spring constant k y = 2850N / m Therefore, the natural frequency of the axial, x-axis, y-axis co-17
It becomes Hz.
このアクティブマスダンバ2を塔状構造物1の上端に取
り付けて、制御系を働かさない状態で、x軸方向に加振
したときのコンプライアンスの計算値を第6図に示す。
第2図と比較して、17Hz付近にアクティブマスダンパ2
の固有振動数の影響が現れていることを除いて、他は何
ら変化がないことがわかる。FIG. 6 shows the calculated value of compliance when the active mass damper 2 is attached to the upper end of the tower-shaped structure 1 and is vibrated in the x-axis direction without operating the control system.
Compared to Fig. 2, active mass damper 2 near 17Hz
It can be seen that there is no change except for the influence of the natural frequency of.
次に、塔状構造物1の12Hz付近にある1次の固有振動に
伴なう振動をこのアクティブマスダンパ2によって振動
制御する制御系をソフトウェアサーボ系によって実現す
る方法について述べる。Next, a method for realizing a control system for controlling the vibration associated with the primary natural vibration of the tower-shaped structure 1 around 12 Hz by the active mass damper 2 by the software servo system will be described.
第7図は、塔状構造物1の一方向の振動を1自由度系に
近似した制御対象にアクティブマスダンパを取付けた際
の力学モデルを示したものである。LQ制御理論では、
この図に基づいて状態方程式を表すことが必要である。
この状態方程式は次のように表される。FIG. 7 shows a dynamic model when the active mass damper is attached to a controlled object that approximates vibration in one direction of the tower-shaped structure 1 to a system of one degree of freedom. In LQ control theory,
It is necessary to express the equation of state based on this figure.
This equation of state is expressed as follows.
ここに、x(t)は状態ベクトル、 は係数行列、y(t)は出力量(この場合は塔状構造物先
端の変位)であり、各々次のように表される。 Where x (t) is the state vector, Is a coefficient matrix, and y (t) is an output amount (in this case, the displacement of the tip of the tower-like structure), which are expressed as follows.
ただし、x1は塔状構造物先端の変位、1は塔状構造
物先端の速度、x0はアクティブマスダンパの変位、
0はアクティブマスダンパの速度、M1は1自由度系に近
似された塔状構造物の質量、k1は自由度に近似された塔
状構造物のばね定数、mはアクティブマスダンパの質
量、kはアクティブマスダンパのばね定数、kfは力変換
係数である。 Where x 1 is the displacement of the tip of the tower-like structure, 1 is the velocity of the tip of the tower-like structure, x 0 is the displacement of the active mass damper,
0 is the velocity of the active mass damper, M 1 is the mass of the tower structure approximated to the one-degree-of-freedom system, k 1 is the spring constant of the tower structure approximated to the degrees of freedom, and m is the mass of the active mass damper. , K is the spring constant of the active mass damper, and k f is the force conversion coefficient.
次に、離散時間制御系に適用するために式(1)を離散
時間系に変換すると、次のようになる。Next, when equation (1) is converted into a discrete time system for application to a discrete time control system, the following is obtained.
ここに、 ただし、Δtはサンプリング間隔である。 here, However, Δt is a sampling interval.
LQ制御理論では、状態量x(i)を式(9)によって定
まる状態フィードバックベクトルK(i)のベクトル積に
よって次のような制御量u(i)を定めるとき、最適な制
御結果が得られる。In the LQ control theory, an optimum control result is obtained when the following control amount u (i) is determined by the vector product of the state feedback vector K (i) which determines the state amount x (i) by the equation (9). .
u(i)=−K(i)x(i) =−[K1(i)1(i)+K2(i)0(i) +K3(i)x1(i)+K4(i)x0(i)]・・・
(5) ここに、K1(i)〜K4(i)は各々の状態量1,0,
x1及びx0の状態フィードバックゲインである。u (i) = - K ( i) x (i) = - [K 1 (i) 1 (i) + K 2 (i) 0 (i) + K 3 (i) x 1 (i) + K 4 (i) x 0 (i)] ...
(5) where K 1 (i) to K 4 (i) are the respective state quantities 1 , 0 ,
It is a state feedback gain of x 1 and x 0 .
この状態フィードバックゲインベクトルK(i)は状態量
x(i)と制御量u(i)とについての線形2次形式の評価関
数J(状態量と制御量との和)、すなわち、 を最小にする次のリカッチ方程式 の収束解によって与えられる。This state feedback gain vector K (i) is a linear quadratic evaluation function J (sum of state quantity and control quantity) for the state quantity x (i) and the control quantity u (i), that is, The following Riccati equation that minimizes Is given by the convergent solution of.
ここに、 ただし、 はあらかじめ与える重み係数である。here, However, Is a weighting coefficient given in advance.
ところが、式(5)に含まれる状態ベクトルx(i)は、
状態量x1、1、x0、0が測定できなければ定まらな
い値であり、実際上それは容易でない。However, the state vector x (i) included in equation (5) is
State quantities x 1 , 1 , x 0 , 0 are values that cannot be determined unless they can be measured, which is not easy in practice.
そこで、本発明の構造物の制振装置では、必要とする状
態量を制御装置内でソフトウェアによって作られたオブ
ザーバによって求める。第7図に示す制振装置(ソフト
ウェアコントローラ)は、センサの検出信号x1に基づ
いてこの状態量を推定するオブザーバの機能と制御量を
算出する機能とを一体化したものである。Therefore, in the structure vibration damping device of the present invention, the required state quantity is obtained by an observer created by software in the control device. The vibration damping device (software controller) shown in FIG. 7 integrates the function of an observer for estimating the state quantity based on the detection signal x 1 of the sensor and the function of calculating the control quantity.
第8図に、この発明に係るLQ制御系のブロック線図を
示す。この制御系は実際の制振対象(伝達関数G
(z))から直接状態量を状態フィードバックするので
はなく、測定が容易な状態量x1を用いてオブザーバ で推定された状態量 をフィードバックするものである。この測定が容易な状
態量x1は第7図のセンサの検出信号x1に相当する。
センサの検出信号x1を常時入力してオブザーバを作動
させることにより推定状態量 は常に更新される。この場合、実測値x1を状態量の一
部に用いることにより、制振対象の実際の状態量と推定
状態量 との誤差を極力小さく抑えることができる。FIG. 8 shows a block diagram of the LQ control system according to the present invention. This control system is an actual target of damping (transfer function G
(Z)) does not directly feed back the state quantity, but uses the state quantity x 1 which is easy to measure State quantity estimated by To feed back. This state quantity x 1 which can be easily measured corresponds to the detection signal x 1 of the sensor shown in FIG.
Estimated state quantity by constantly inputting the detection signal x 1 of the sensor and operating the observer Is constantly updated. In this case, by using the measured value x 1 as a part of the state quantity, the actual state quantity of the vibration suppression target and the estimated state quantity The error between and can be suppressed as small as possible.
このLQ制御系の制御装置内における計算上のフローチ
ャートを第9図に示す。繰り返し計算されるループの中
で常に新しい測定値(センサの検出信号x1)が取り込
まれ、状態量 と状態フィードバックゲイン とが掛け合わされて制御量uを得る。この制御量uが実
際の制御対象とオブザーバとに出力されてその次の状態
量 が得られている。FIG. 9 shows a computational flowchart in the control device of this LQ control system. A new measurement value (sensor detection signal x 1 ) is always taken in the loop that is repeatedly calculated, and the state quantity And state feedback gain And are multiplied to obtain the controlled variable u. This control amount u is output to the actual controlled object and the observer, and the next state amount Has been obtained.
塔状構造物1は多自由度系であるが、まず一次モードの
み考慮に入れた制振対象について、LQ制御系を設計し
制振効果をシミュレーションによって調べてみた。Although the tower-shaped structure 1 is a multi-degree-of-freedom system, the LQ control system was designed and the damping effect was investigated by simulation for a damping target considering only the first-order mode.
評価関数の制御量の重みωを変化させて、制御量uと制
振効果(振動変位x1)の関係を数値計算によるシミュ
レーション結果を第10図に示す。このようにωを小さ
くするにつれ、大きな制振効果が得られているが、それ
に伴い大きな制御電流も必要となることがわかる。この
重みωの選択によって制振効果と制振に要するエネルギ
消費量の間の調和を図ることができる。FIG. 10 shows a simulation result by numerical calculation of the relationship between the control amount u and the damping effect (vibration displacement x 1 ) by changing the weight ω of the control amount of the evaluation function. As described above, as ω is reduced, a large damping effect is obtained, but it is understood that a large control current is required accordingly. By selecting the weight ω, it is possible to achieve a harmony between the damping effect and the energy consumption amount required for damping.
LQ制御系をソフトウェアで実現すると制振対象のパラ
メータ変更などにプログラムの一部を変更するだけで柔
軟に対応できる利点がある。その反面、コンピュータの
演算速度による制約を受けることになるので、制振対象
の動特性を厳密に表すほどの大きな数学モデルは扱えな
い。必然に、低次元オブザーバということになる。When the LQ control system is realized by software, there is an advantage that it is possible to flexibly deal with the change of parameters of the vibration suppression object by only changing a part of the program. On the other hand, since it is restricted by the computing speed of the computer, it is not possible to handle a mathematical model large enough to accurately represent the dynamic characteristics of the object to be damped. Inevitably, it is a low-dimensional observer.
そこで、第11図に示すような一次と二次の動特性(伝
達関数G1(Z)、G2(Z))が問題になるような制振対象
について、オブザーバでは一次モードのみ考慮した制御
系を構成するものとする。この場合、二次モードの変位
だけは観測されるので、二次モードへの制御力は、状態
フィードバックでなく、局部フィードバックとなり、重
み係数ωの選択によって不安定になることがある。この
ような不安定は観測スピルオーバと呼ばれている。この
ようなスピルオーバ対策には従来モーダルフィルタなど
が提案されているが、本発明では動吸振器によって二次
モードの影響を緩和する方法を採用した。本実施例で用
いた2重動吸振器4は中央の支持体から両側に板ばねが
それぞれ延出され、板ばねの端部の自由端には銅製で断
面I型の質量体がそれぞれ設けられており、各質量体の
両側には一定の間隔をもって一対の永久磁石が設けられ
ている。この動吸振器4は、一対の永久磁石の作る磁場
内を質量体が機械的な接触なく運動する時に生じる磁気
減衰を利用するもので、質量体は磁気ダンパーの役目も
兼ねている。以下の実験によってその効果を示す。Therefore, the control considering only the first-order mode in the observer for the vibration suppression target in which the first-order and second-order dynamic characteristics (transfer functions G 1 (Z) and G 2 (Z)) as shown in FIG. Shall constitute the system. In this case, since only the displacement of the secondary mode is observed, the control force to the secondary mode is not the state feedback but the local feedback and may become unstable due to the selection of the weighting factor ω. Such instability is called observation spillover. Although a modal filter or the like has been conventionally proposed as a countermeasure against such spillover, a method of reducing the influence of the secondary mode by a dynamic vibration absorber is adopted in the present invention. In the double dynamic vibration absorber 4 used in this embodiment, leaf springs are respectively extended from the central support body to both sides, and the free ends of the leaf springs are provided with copper mass bodies having an I-shaped cross section. A pair of permanent magnets are provided on both sides of each mass body at regular intervals. The dynamic vibration reducer 4 utilizes magnetic damping generated when the mass body moves in the magnetic field formed by the pair of permanent magnets without mechanical contact, and the mass body also serves as a magnetic damper. The effect is shown by the following experiments.
振動測定は、第1図の構成にて塔状構造物1の上部をイ
ンパルスハンマーで加振してFFTアナライザ7で時間
応答と周波数応答を解析する方法を採った。For the vibration measurement, a method of vibrating the upper part of the tower-shaped structure 1 with an impulse hammer and analyzing the time response and the frequency response with the FFT analyzer 7 in the configuration of FIG. 1 was adopted.
第12図(a)は塔状構造物1単体のコンプライアンスを
示す。第6図の計算結果とよく一致している。第12図
(b)は、二次モードの抑制のために2重動吸振器4が最
適に調整されているわけではないが、一応、二次の共振
ピークは抑制されている。FIG. 12 (a) shows the compliance of the tower-shaped structure 1 alone. It is in good agreement with the calculation result of FIG. Fig. 12
In (b), the double dynamic vibration absorber 4 is not optimally adjusted to suppress the secondary mode, but the secondary resonance peak is suppressed for the time being.
第13図は、動吸振器4が無い状態で、同図(a)はω=
0.00001,同図(b)はω=0.000001の場合を示す。このよ
うに、重みωを小さくして制振効果を上げようとすると
逆に、スピルオーバ不安定に至っている。第14図は、
この状況を周波数応答によって調べたものである。重み
ωを小さくするにつれ、二次モードのピークが成長し、
不安定の原因を作っていることがよく理解できる。FIG. 13 shows a state in which the dynamic vibration absorber 4 is not provided.
0.00001, Figure (b) shows the case of ω = 0.000001. In this way, when the weight ω is reduced to increase the vibration damping effect, conversely, the spillover becomes unstable. Figure 14 shows
This situation was investigated by the frequency response. As the weight ω is reduced, the peak of the secondary mode grows,
I can understand well that it is the cause of instability.
動吸振器4を取付けた場合における、第14図に対応す
る実験結果を第15図に示す。見られるように、動吸振
器4によって二次モードのピークが見事に抑制されてい
る。また、動吸振器4を取付けた場合の第13図に対応
する実験結果を第16図に示す。スピルオーバ不安定は
完全に抑制されている。また、第17図は、45°の方向
にインパルス加振した時のx,y軸方向の変位応答波形
を示す。このように二方向に同じような制振効果をもつ
ことがわかる。FIG. 15 shows an experimental result corresponding to FIG. 14 when the dynamic vibration absorber 4 is attached. As can be seen, the peaks of the secondary mode are excellently suppressed by the dynamic vibration reducer 4. FIG. 16 shows the experimental result corresponding to FIG. 13 when the dynamic vibration absorber 4 is attached. Spillover instability is completely suppressed. Further, FIG. 17 shows displacement response waveforms in the x and y axis directions when impulse excitation is performed in the direction of 45 °. Thus, it can be seen that the same damping effect is obtained in both directions.
このように、2次元アクティブマスダンパ2が、水平二
方向振動が問題になる塔状構造物1等に対し良好な制振
効果が得られ、また、高次モードを打ち切った制御系の
設計に伴うスピルオーバ不安定対策に動吸振器が有効で
あることが確認された。また、ソフトウェアサーボ制御
装置は、アクティブマスダンパ方式によってこの種構造
物の振動制御に汎用性のあることが確認された。In this way, the two-dimensional active mass damper 2 has a good vibration damping effect on the tower-shaped structure 1 etc. in which horizontal two-way vibration is a problem, and is also useful for designing a control system that cuts off higher-order modes. It was confirmed that the dynamic vibration absorber is effective as a countermeasure against the spillover instability. In addition, it was confirmed that the software servo control device has general versatility in vibration control of this kind of structure by the active mass damper method.
なお、上記実施例の2次元アクティブマスダンパ2は電
磁力を用いたが、第18図に示す油圧式の2次元アクテ
ィブマスダンパ13を用いて制振装置を構成するように
してもよい。即ち、2次元アクティブ質量14の四方に
は、サーボ弁15を有する油圧シリンダ16が取り付け
られており、変位センサ17の検知信号によりサーボア
ンプを内臓する制御回路18より各サーボ弁15に制御
電流が出力されるようになっている。(なお、変位セン
サ17からの位置フィードバックによりばねの役目を与
えることができる。) [発明の効果] 本発明によれば次の効果がある。Although the two-dimensional active mass damper 2 of the above-described embodiment uses electromagnetic force, the vibration damping device may be configured using the hydraulic two-dimensional active mass damper 13 shown in FIG. That is, a hydraulic cylinder 16 having a servo valve 15 is attached to each of the four sides of the two-dimensional active mass 14, and a control current is supplied to each servo valve 15 from a control circuit 18 including a servo amplifier according to a detection signal of a displacement sensor 17. It is supposed to be output. (Note that the position feedback from the displacement sensor 17 can serve as a spring.) [Advantages of the Invention] The present invention has the following advantages.
(1)1つの質量(2次元アクティブ質量)を1方向ではな
く2方向に動かして2次元振動を制振しているため、制
振装置の軽量・小形化が図れる。(1) Since one mass (two-dimensional active mass) is moved in two directions instead of one direction to suppress two-dimensional vibration, the vibration control device can be made lightweight and compact.
(2)制御系をLQ制御理論を用いたソフトウェアサーボ
で構成しているため、汎用性のある制振が可能である。
しかも、構造物が変ってもソフトウェアを変更するだけ
で簡単に対応できる。(2) Since the control system is composed of software servos using the LQ control theory, it is possible to suppress vibration with versatility.
Moreover, even if the structure changes, it can be easily handled by changing the software.
(3)制御回路により制振しようとする振動モードよりも
高次の振動モードはパッシブな動吸振器により吸振され
るため、制振モードと打ち切られた高次モードとの相互
作用は弱まり、スピルオーバ不安定が抑制される。(3) Since the vibration mode higher than the vibration mode to be damped by the control circuit is absorbed by the passive dynamic vibration absorber, the interaction between the vibration suppression mode and the cut off higher-order mode is weakened, resulting in spillover. Instability is suppressed.
第1図は本発明に係る制振装置の一実施例を示す構成
図、第2図は第1図の塔状構造物のコンプライアンスを
示すグラフ、第3図は同塔状構造物の振動モード形を示
す図、第4図は第1図の2次元アクティブマスダンパの
一部破断した斜視図、第5図はアクチュエータからの入
力電流に対するアクティブ質量変位の静特性を示すグラ
フ、第6図は2次元アクティブマスダンパ付加による塔
状構造物のコンプライアンスを示すグラフ、第7図はL
Q制御系の力学モデルを示す図、第8図はLQ制御系の
ブロック線図、第9図はLQ制御系のフローチャート、
第10図は制御量と制振効果との関係を示すグラフ、第
11図は2次モードが加わったLQ制御系のブロック線
図、第12図〜第17図は実験結果を示すものであっ
て、第12図はアクティブ制御のない塔状構造物のコン
プライアンスを示すグラフ、第13図,第14図は動吸
振器がない場合の塔状構造物の時間応答、周波数応答を
それぞれ示すグラフ、第15図は動吸振器を付加した場
合の塔状構造物の周波数応答を示すグラフ、第16図,
第17図は同じく動吸振器を付加した場合の塔状構造物
の時間応答をそれぞれ示すグラフ、第18図は2次元ア
クティブマスダンパの他の実施例を示す図である。 図中、1は塔状構造物(制振対象構造物)、2は2次元
アクティブマスダンパ、4は2重動吸振器、5は変位セ
ンサ、6はソフトウェアサーボ制御装置、7はFFTア
ナライザ、8はケーシング、9は2次元アクティブ質
量、10はリング状ばね、11は永久磁石、12は電磁
石、13は2次元アクティブマスダンパ、14はアクテ
ィブ質量、15はサーボ弁、16は油圧シリンダ、17
は変位センサ、18は制御回路である。FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a vibration damping device according to the present invention, FIG. 2 is a graph showing compliance of the tower-like structure of FIG. 1, and FIG. 3 is a vibration mode of the tower-like structure. FIG. 4 shows a shape, FIG. 4 is a partially cutaway perspective view of the two-dimensional active mass damper of FIG. 1, FIG. 5 is a graph showing static characteristics of active mass displacement with respect to input current from an actuator, and FIG. Fig. 7 is a graph showing the compliance of tower-shaped structures with the addition of a two-dimensional active mass damper.
FIG. 8 is a diagram showing a dynamic model of the Q control system, FIG. 8 is a block diagram of the LQ control system, and FIG. 9 is a flowchart of the LQ control system.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the control amount and the damping effect, FIG. 11 is a block diagram of the LQ control system to which a secondary mode is added, and FIGS. 12 to 17 show experimental results. FIG. 12 is a graph showing the compliance of a tower structure without active control, and FIGS. 13 and 14 are graphs showing the time response and frequency response of the tower structure without a dynamic vibration absorber, respectively. FIG. 15 is a graph showing the frequency response of a tower-shaped structure when a dynamic vibration absorber is added, FIG.
FIG. 17 is a graph showing the time response of the tower-shaped structure when a dynamic vibration absorber is added, and FIG. 18 is a diagram showing another embodiment of the two-dimensional active mass damper. In the figure, 1 is a tower-like structure (structure to be damped), 2 is a two-dimensional active mass damper, 4 is a double dynamic vibration absorber, 5 is a displacement sensor, 6 is a software servo controller, 7 is an FFT analyzer, 8 is a casing, 9 is a two-dimensional active mass, 10 is a ring-shaped spring, 11 is a permanent magnet, 12 is an electromagnet, 13 is a two-dimensional active mass damper, 14 is an active mass, 15 is a servo valve, 16 is a hydraulic cylinder, 17
Is a displacement sensor, and 18 is a control circuit.
Claims (2)
も大きく振動する部分あるいはその付近に取り付けら
れ、その2方向に振動可能に設けられた2次元アクティ
ブ質量を有する2次元アクティブマスダンパと、2次元
アクティブ質量に2次元方向の変位力を与えるアクチュ
エータと、制振対象構造物の振動を検出するセンサと、
当該制振対象構造物に近似する振動モデルのオブザーバ
を有し、前記センサの検出信号を入力としてオブザーバ
を作動させることにより当該制振対象構造物で実際に起
こっている現象に近い状態量を観測し、この状態量と前
記アクチュエータの制御量とについての線形2次形式の
評価関数を最小にする状態フィードバックゲインを計算
し、得られた状態フィードバックゲインを当該状態量に
掛け合わせて前記アクチュエータの制御量を決定する制
御装置とを備えたことを特徴とする構造物の制振装置。1. A two-dimensional active mass damper having a two-dimensional active mass, which is attached to or near the largest vibrating portion of a structure to be damped and which vibrates in two horizontal directions, and has a two-dimensional active mass provided so as to be vibrable in the two directions. An actuator that applies a displacement force in a two-dimensional direction to the two-dimensional active mass, a sensor that detects the vibration of the structure to be damped,
It has an observer of a vibration model that approximates the structure to be damped, and observes the state quantity close to the phenomenon actually occurring in the structure to be damped by operating the observer with the detection signal of the sensor as input. Then, the state feedback gain that minimizes the linear quadratic evaluation function for this state amount and the control amount of the actuator is calculated, and the obtained state feedback gain is multiplied by the state amount to control the actuator. A vibration damping device for a structure, comprising: a control device for determining an amount.
も大きく振動する部分あるいはその付近に取り付けら
れ、その2方向に振動可能に設けられた2次元アクティ
ブ質量を有する2次元アクティブマスダンパと、2次元
アクティブ質量に2次元方向の変位力を与えるアクチュ
エータと、制振対象構造物の振動を検出するセンサと、
当該制振対象構造物に近似する振動モデルのオブザーバ
を有し、前記センサの検出信号を入力としてオブザーバ
を作動させることにより当該制振対象構造物で実際に起
こっている現象に近い状態量を観測し、この状態量と前
記アクチュエータの制御量とについての線形2次形式の
評価関数を最小にする状態フィードバックゲインを計算
し、得られた状態フィードバックゲインを当該状態量に
掛け合わせて前記アクチュエータの制御量を決定する制
御装置と、この制御装置により制振しようとする振動モ
ードよりも高次のモードの振動を吸振すべく当該制振対
象構造物に取り付けられた動吸振器とを備えたことを特
徴とする構造物の制振装置。2. A two-dimensional active mass damper having a two-dimensional active mass, which is attached to or near the most vibrating portion of a structure to be damped which vibrates in two horizontal directions and has a two-dimensional active mass provided so as to be vibrable in the two directions. An actuator that applies a displacement force in a two-dimensional direction to the two-dimensional active mass, a sensor that detects the vibration of the structure to be damped,
It has an observer of a vibration model that approximates the structure to be damped, and observes the state quantity close to the phenomenon actually occurring in the structure to be damped by operating the observer with the detection signal of the sensor as input. Then, the state feedback gain that minimizes the linear quadratic evaluation function for this state amount and the control amount of the actuator is calculated, and the obtained state feedback gain is multiplied by the state amount to control the actuator. A control device that determines the amount, and a dynamic vibration absorber that is attached to the structure to be damped in order to absorb the vibration of a higher order mode than the vibration mode to be damped by the control device. Vibration control device for characteristic structures.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62185038A JPH0652016B2 (en) | 1987-07-24 | 1987-07-24 | Vibration control device for structures |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62185038A JPH0652016B2 (en) | 1987-07-24 | 1987-07-24 | Vibration control device for structures |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6429585A JPS6429585A (en) | 1989-01-31 |
| JPH0652016B2 true JPH0652016B2 (en) | 1994-07-06 |
Family
ID=16163702
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62185038A Expired - Fee Related JPH0652016B2 (en) | 1987-07-24 | 1987-07-24 | Vibration control device for structures |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0652016B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08138259A (en) * | 1994-11-10 | 1996-05-31 | Nippon Seiki Houseki Kogyo Kk | Lens cleaner for optical pickup in optical disk cartridge player |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2839285B2 (en) * | 1989-05-11 | 1998-12-16 | カヤバ工業株式会社 | Actuator control method |
| JP2010180032A (en) * | 2009-02-06 | 2010-08-19 | Toshiba Elevator Co Ltd | Elevator vibration control device |
| JP5407837B2 (en) * | 2009-12-18 | 2014-02-05 | オイレス工業株式会社 | Active dynamic vibration absorber |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5954237U (en) * | 1982-10-04 | 1984-04-09 | 三菱電機株式会社 | Vibration control device |
-
1987
- 1987-07-24 JP JP62185038A patent/JPH0652016B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08138259A (en) * | 1994-11-10 | 1996-05-31 | Nippon Seiki Houseki Kogyo Kk | Lens cleaner for optical pickup in optical disk cartridge player |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6429585A (en) | 1989-01-31 |
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