JPS63241276A - 制振装置の制御方法 - 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） 本発明は、構造物の制振装置の制御方法に関し、更に詳
しくは、地震や風による構造物の揺れを防止し、より高
層な構造物の建設を可能とすると共に、揺りが少なく快
適な居住性を実現するために、構造物に設置する制＠装
置の制御方法に関するものである。

（従来の技術） 建物、鉄塔等の構造物は、一般的に小さな減衰要素しか
持たないことが多く、風、地震等の動的外乱を受けて構
造物が共振し、低周波振動が起りやすくなっている。特
に中高層ビルにおいては、風や地震等による撮動のため
の居住性が問題となる。

上述した構！吻の振動をおさえるため、構造物に減衰要
素を付加し共振時の応答倍率を下げる方法が存在した。

この方法には、構造物に受動的な減衰要素を取り付け、
構造物の振動エネルギーを吸収することで、振動軽減を
図る受動式振動制御装置と、構造物に制振用のコントロ
ールデバイスを装着し、外部から制振エネルギーを供給
して積極的に構造物の振動低減を図る能動式撮動制御１
１装置が存在する。

能動式は受動式の欠点である（１）構造物の複ｍ　ノｔ
ｉ　ｅモードについて、同時に制振しにくい。

（２）構造物の特性が変化したときに制振効果が低減す
る。（３）大きな撮動低減効果が１９にくい。

ことを政情する点で注目を集めている。

従来存在した能動式振動制御装置を第７図に示す。

構造物１の上部に直線的に移動可能な付加マス２を設置
し、該付加マス２は構造物１に固定したアクチュエータ
３によって運動する。

構造物１に外力が加わると、構造物１に設置した撮動セ
ンサ５により構造物加速麿を検出しｌｔｉ制御器２に入
力する。制御器２には、センサによって検出した付加マ
ス速度も入力される。制御３ｚでは、ｖＩ！造物加物加
速度積分ｉ’！！！１／Ｓによって構造物速度を求め、
これと前記付加マス速度の偏差をとり、この信号を電力
増幅器ａにより増幅し、アクチュエータ電流として出力
させ、付加マス２を運動させる。すなわち、外力を受け
て共振している構造物１の撮動ｍに応じてアクチュエー
タ３が付加マス２を動かし、このとぎの付加マス２の運
動反力が構造物１の外力を打消して振動を抑制する。

また、制振の制御を実行していないとき（８４造物１の
揺れが所定のレベル以下にあるとき）に、アクチュエー
タのゼロ調整のずれから付加マスが中立位置からはずれ
てしまうことがある。付加マス２の中立位置からのずれ
は、構造物１が揺れはじめて付加マス２を動かすときに
、構造物の揺れ方向によっては、即座に付加マス２の動
作許容絶間のストロークエンドに達してしまい、十分な
制振効果を発揮できない。従って、付加マス２とアクチ
ュエータ３の間に支持バネ４を介在させ、付加マス２が
中立位置を保つようにしていた。

或いは付加マス２の変位を検出し、中立位置からずれて
いた場合にはアクチュエータでｆｆｉ制御する方法がな
されていた。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、従来例によれば付加マスが中立位置から
大きくずれたとき、位置制御で付加マスを中立位置に復
帰させると、付加マスが動くときの反力により構造物を
加振してしまうという問題点があった。

また一方、バネを設けると構造が視雑化する上にバネ力
分だけアクチュエータの操作力を大きくする必要がある
。

本発明は上記従来例の問題点に鑑みなされたもので、構
造物に振動を与えずに付加マスを中立位置に移動させる
制御ｔ！装置の制御方法を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明は、構造物の振動方向に
運動可能な付加マスと、該付加マスを運動させる手段か
ら成る制振装置において、前記制振装置が付加マスを運
動させる必要のない制御停止状態にあり、前記付加マス
が動作範囲の中立位置からずれたとき、付加マスの速度
や中立位置からの変位および構造物の振動に関係する状
態変数の状態量を検出しながら、最適レギュレータ理論
により評価関数を最小にする制御人力を制御器で演算し
、この制御入力信号により前記付加マスを中立位置に復
帰させることを特徴としている。

制御器では、状態変数検出手段から振動に関係する種々
の変数を状態変数ベクトルｙとして表わし、最適フィー
ドバックベクトルをＷとすると、制御人力Ｕはｕ−Ｋｔ
によって求められる。最適フィードバックベクトルＣは
２次形式の評価関数を最小にするよう設計され、＋ｆ　
−−＋ｒ　　Ｉｂ　Ｉｐで与えられる。

ここテＩＰはＩＰ／Ａ＋７ＡＩＰ−ｌＰｌｔｚｒ　　Ｉ
ｂ１Ｐ−＋Ｊ＝０のリカツティの行列方程式を満足する
ものである。

１ｒは制御人力Ｕの重み行列であり、入力のパワーが無
限大となるような実現不可能な解に到達するのを防止す
る。

Ｑは状態変数に対する重み行列で、精度よく制御したい
状態変数に対応する重みを大きくとることにより、制振
効果の異なる最適フィールドベクトルを設計することが
できる。

ハ、　ｌｂは構造物および、付加マスの質量、ばね定数
、減衰定数等の特性から求められる行列である。

（作用） 付加マスを運動させる必要のない制御停止状態で、付加
マスが動作範囲の中立位置からずれたとき、付加マスの
変位等を検出し、付加マスを中立位置に復帰させる。こ
のとき、構造物および付加マスに設置した状態変数検出
手段から信号が検出され、最適レギュレータ理論により
評価関係を最小にするような制御入力を求め、この制御
入力信号により、付加マスの動作に伴なう構造物の揺れ
を防止しながら付加マスを中立位置に移動させる。

（実施例） 本発明の一実施例について図面を参照しながら説明する
。

第５図に構造物の上部に設置された制振装置の側面図を
示し、第６図にその平面図を示す。

構造物１の最上部に直方体の付加マス２を設置する。付
加マス２の周面にそれぞれシリンダ６を装着し、このシ
リンダ６のロンド軸７の一端を、付加マス２を囲むよう
に構造物１に立設した壁８に連結する。付加マス２の中
央にはシリンダ６に油を供給する油圧ユニット９が設置
されている。

付加マス２の底部には車輪１０を装着し、４本のシリン
ダの油の供給の仕方によって付加マス２が壁８で囲まれ
た水平面上を自由に移動可能なようになっている。また
壁８で囲まれた水平面は、摩擦力を小さくし車輪１０が
動きやすくなっている。

第２図に本発明方法により制御される制振装置のモデル
図を示す。

構造物１の上部にシリンダ６により移動可能な付加マス
２を装着する。第２図では簡略化のため付加マス２は１
本のシリンダで移動するようにした。また実際の装置で
は、構造物１、付加マス２は水平方向へ揺れるが、モデ
ル図では上下方向に振動するようになっている。

構造物１および付加マス２には状態変数検出手段として
の変位検出手段１１．１２を設け、状態量として構造物
１の変位×７、付加マス２の変位×２を検出する。変位
Ｘ＋　、Ｘｓ　は、構造物１、付加マス２が振動せず中
立位置で静止している状態をＯとして正負の値をとるよ
うにする。

変位検出手段１１．１２からの信号は、状態変数設定部
Ｗ１演算部Ｖから成る制御器Ｚに入力される。状態変数
設定部Ｗでは、構造物及び付加マス２の変位Ｘ、、Ｘ、
から構造物１と付加マス２を微分器Ｓを介することによ
り、構造物の速度Ｘ、および相対速度×、の状態変数を
求める。また構造物１の速度等は、速度検出手段又は速
度信号発生器を構造物１に設けることにより直接水める
こともできる。

これらの信号は演算部ｙに入力され、状態変数ベクトル
Ｘ（Ｘ、Ｘ；只１−２　）の状ａ量×２、Ｘ、　、Ｘ、
　、Ｘ、に予め決定されている最適フィードバックベク
トルＨ（ｒ、ｒ２ｒ、ｒ、）の「１　、ｆ２　、ｆ３　
、ｆＪをそれぞれ乗じ、それぞれの値を加え、制御人力
ｕ−ｆ、ｘ、＋ｆ２ｘ、’＋ｒ、交、＋ｆ、ｘ２を得る
。

制御器２から出力される制御人力Ｕは、サーボ弁１３の
スプール１４を摺動させるソレノイド１５に通電するよ
うになっている。サーボ弁１３の油圧供給側に設けられ
た３つのポートのうち、中央のポート１６はポンプＰ（
図示せず）に連通し、左右のポート１７．１８はそれぞ
れタンクＴ（図示せず）に連通している。サーボ弁１３
に設けられた２つのポート１９．２０はそれぞれシリン
ダ６の室に連通している。

第２図に示すモデル図では、シリンダ６のシール部から
の油の漏れを考慮し、較りＲ，Ｒ，およびタンクを用い
て油が流出する様子をモデル化しである。

第１図に本発明方法のフローチャートを示す。

外部からの振動がなく、付加マス２を動作させる必要な
い制御停止状態では、制御人力ＵはＯとなっている。油
圧ユニット９をオンし、シリンダ６に油を供給可能とす
る。次にリリーフ弁をオンロードし、サーボ弁１３にポ
ンプｐｓを接続するスタンバイオンを行なう。状態変数
検出手段より構造物１の振動に関係する状態量を検出し
、状態変数ベクトルＸとして読み込み、この信号をアナ
ログーディジタル変換する。

状態変数ベクトル×に予めｉｌｌ　ｔ）Ｄ器２に記憶さ
せたは適フィードバックベクトル「を乗じ制御入力ｕ−
Ｋｘを得る。ｔｉ＋制御入力のディジタル−アナログ変
換を行ない、制御人力Ｕでサーボ弁１３を流れる油をル
リ御し、付加マス２の動作を行なわせる。

付加マス２の中立位置からの変位Ｘ、と構造物１の変位
×、との相対変位×２が、予め記憶した値δより大きい
ときは、上述した流れを繰り返し行ない、δより小さい
ときは付加マス２が中立位置に復帰したとして付加マス
制御を中止する。その俊構造物１が揺れ始める際には、
付加マス２は中立位置近傍にあり、付加マス２がすぐに
動作範囲のストロークエンドに達することがなく、構造
物１の揺れ始めにおいても十分な制（辰作用を発揮でき
る。

更に第３図に示すように、付加マス２の下部に凹部２ａ
を設け、この凹部２ａに構造物１の床面１ａに垂直方向
に伸縮自在に設けたフック３０を嵌合するように形成す
る固定手段を設ければ、付加マス２を中立位置に固定す
ることができる。そして構造物１が振動するとその振動
を検知して、フック３０を凹部２ａからはずし、付加マ
ス２を移動可能にする。フック３０の伸縮は、ソレノイ
ド、スプリング、モータ、液圧シリンダ等で行なうよう
にする。

またフック３０を付加マス２の底面側に設け、凹部を構
造物床面に設けてもよい。更にフック、凹部から成る固
定手段は付加マスの上面側に設けてもよい。

外乱やサーボ弁等のゼロ調整のずれから付加マス２が中
立位置からはずれたとき、本発明方法による付加マス２
の制御を行なうと、中立位置からの変位×２に応じて制
御人力Ｕが与えられ、付加マス２を中立位置の方向に動
作させる。付加マス２の動作により構造物１に反力を与
えると、変位検出手段１１．１２より、構造物１の撮動
に関係する状態用が求められ、この値を考慮した制御入
力Ｕを求め、付加マス２の動作を行なう。

すなわち、付加マス２を中立位置に戻すために第２図の
上側へ移動させたとすると、構造物１も上側へ揺れ始め
る。そして揺れの状況を変位検出手段１１．１２で検知
し、この信号を制御器２に入力し、制御人力Ｕを演算す
る。

制御人力Ｕはソレノイド１５に通電され、サーボ弁１３
のスプール１４を第２図の右方向へ摺動ざぜる。スプー
ル１４が右方向へ摺動するとボート１７が閉じられ、ポ
ンプＰからの油はボート１６、ボート２０、下方のシリ
ンダ室へ流れ、シリンダ６内のピストンを押し上げ、上
方のシリンダ室の油はボート１９、ボート１８を介して
タンクＴに導かれる。

この結果シリンダ６のロッド７が摺動し、付加マス２を
構造物１の動きに遅れて同じ側である上側へ移動させる
（第２図はモデル図のため鉛直方向へロッド７が摺動す
るようになっている）。

構造物１が左側に揺れると、制御人力Ｕの符号が逆にな
り、サーボ弁１３のスプール１４が逆に摺動し、付加マ
ス２の移動方向も逆になる。

従って、付加マス２の動作より反力が生じ構造物１が揺
れた場合、構造物１の制振を行ないながら付加マス２を
中立位置に移動させる。

次に最適フィードバックベクトルＷの設定について説明
する。

１、システムの微分方程式 外力をＦ、構造物１と付加マス２１！１！に作用する力
をＵ、構造物１の質量をＭ７、構造物１の減衰定数をＣ
，、＊進物１のばね定数をに、とすると、構造物の運動
方程式は Ｆ−ＬＪ＝Ｍ＋　ＸＩ　＋ＣＩ　ＸＩ　＋ＫＩ　ＸＩ　
　　　　　　　　　（１）となる。

付加マスの＊ｆｆｉをＭ、とすると 付加マスの運動方程式は Ｕ−ＭＩＸｔ　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
となる。

シリンダの受圧面積をＡ１シリンダの各室の圧力をＰ、
Ｐ、、シリンダの減衰定数をＣ２，シリンダのばね定数
をに、とし、シリンダの出力および摩擦力はぜ口と考え
ると制御力は、 Ｕ−Ａ　（Ｒ−Ｐｔ　）−ＣＩ　（Ｌ！　−餐＋　）　
−Ｋｔ　（Ｘｌ　−Ｘ、　）　　　　　（３）と　な　
る。

シリンダにおける連続の式は、サーボ弁からシリンダに
流入する原型をＱ１１シリンダからサーボ弁へ流出する
流量をＣ２、各シリンダ室から外部へ漏れる流出をＣ３
、Ｃ４、第１図の下部のシリンダ室から上部のシリンダ
室へ漏れる流量をＱ、とすると、 ＲＶｌ　／に−Ｑｌ　−Ａ　＜ｘｔ　−ｘ　＋　）　−
Ｑｌ　−Ｑｌ　　　　　　　　　　（４）βｒ　Ｖｔ　
／に一−Ｑｔ　＋Ａ　（ｉｔ　−ｘ　＋　）　−〇ｉ　
＋Ｑｔ　　　　　　　　（５）となる。

シリンダ室からの流れを考慮したモデルにおいて、Ｒ，
Ｒ，を絞りの係数とすると 絞りの式は Ｑ、　−Ｒ，Ｐ。

Ｑ、　−Ｒ，Ｐ。

Ｑ、　−Ｒ，（Ｐ、　−Ｐ、　＞　　　　　　　　　　
　　（６）となる。

次にサーボ弁の特性を考える。

サーボ弁の定格電流を■「、定格流黴をＱｒ、供給圧力
をｐｓとすると、 ｉ≧０の場合 Ｑ、　−（ｉ　／Ｉｒ　）Ｑｒ　（Ｐｓ　−Ｐ、　）／
３５　　　　　　　　　（７）ａ、　−（＋　／■ｒ　
＞ｏｒＥ）３（８）ｉ＜Ｏの場合 Ｑ、すｉ／［ｒ）Ｑｒ／ｉ”Ｔフロ　　　　　　　　　
〈９）ａ、　−（＋　／＋ｒ　＞　ｏｒＥ〒；コア０　
　　　　　（１０）となる。

２、微分方程式の線形化 （７）〜（１０）式を平衡点（Ｐ、−Ｐ、。Ｒ−Ｒａ　
Ｉ−ｉ、）の近傍で線形化し、 をとり、ΔＦを外乱として取扱い、状態方程式％式％（
１２） で表現する。このとき行列／Ａ、　ｌｂは、それぞれ４
行４列、４行１列の行対となり、行列の各要素は次のよ
うになる。

Ａ１、−〇 Δ１ｌ−Ｏ Ａ、、−１ △、４−０ △６．−〇 Ａ、、−０ Ａ１、−〇 Ａ、、−１ Ａ、、　−−に、　／Ｍｌ ん、−に、　／Ｍ。

Ａ、、−−Ｃ，／Ｍ。

ん、−（１／Ｍ、　）　（２Ａ’　／　（β＋Ｒ１＋２
Ｒ１）　＋Ｃｙ　）△、、−に、　／Ｍ。

ＡＷ−−Ｋｔ　　（Ｍ＋　＋ＭＩ　）／Ｍ＋　ＭＩＡ＠
−Ｃ，／Ｍ。

Ａ、、　−−（（Ｍ、　＋Ｍｔ　）　／Ｍ、　Ｍ、　）
　（２△’／（β＋Ｒ，＋２Ｒｔ　）−←Ｃ，）ｔｌ、
、−Ｑ ｂよ、−〇 ｂ、、−−（１／Ｍ、”）（２Ａα／（β＋Ｒ，−！−
２Ｒ，）　）ｂ＋＋　＝　（Ｍ＋　＋Ｍ＋　／Ｍ＋　Ｍ
＋　）　（２Ａα／（β＋Ｒ＋　＋２Ｒｔ　）　）ここ
で出力ベクトルｙを と定義すると出力方程式は次のようになる。

ｙｒ−Ｃｙ ３．７ｉｉｌ！レギユレータの設計 （１２）　（１４）式で表現されている制御系において
、（１５）式を最小にする最適レギュレータを設計する
。制御人力Ｕをスカラ暦としたので、入力の重み係数ｒ
もスカラ量とした。

状態変数に対する重み行列Ｑを に対応する重み係数ｑを大きくとることにより、Ｉ１１
振効果が大きいものから小さいものまで制御系を自由に
設計できる。

最適入力ｕ０　は最適フィードバックベクトルｆ’−＜
ｒ、　、ｔ、、ｒ、　、ｒ、　）により次のように表わ
される（Ｕ−Δｉ）、Ｕ″−ｆ”ｔ−Ｊ、Δｘ、＋４．
Δｘ、’＋４．Δ長、＋「４ΔＭ、′（１８）ＩＩＩ御
系のブロック図を第３図に示す。

（１５）式で表わされたＪｆｊｉ％小にするＲ適フィー
ドバックベクトルＣは一般式 ％式％（１９） で与えられる。ただし、Ｐは次のりカッティの行列方程
式を満たす正定唯−解である。

ＩＰ＾＋Δべ−ＩＰ−Ｐ　　ｌｂ　　　　ｒ　　　Ｔｏ
ｌＰ＋Ｑ−０（２０）上）本の実施例では、状態変数ベ
クトルは、構造物１の変位χ４、構造物１に対する付加
マス２の相対変位Ｘｆｆ　、構造物１の速度×１、構造
物１と付加マス２の相対速度餐２で表現したが、他の振
動に関係する変数や油圧シリンダの制御に関係する変数
を状態量として考慮してもよい。

すなわち、制振装置取付位置における構造物１の変位×
１、付加マス２の変位ｘ３、構造物１の最下部又は地面
の変位×０、構造ｖ！ＩＪ１に対する付加マス２の相対
変位×２、シリンダ各室の圧力ｐ１　、ｐ２　、サーボ
弁１３のスプール１４の変位×、とし、この中から制御
に重要な要素を取り出し状態変数ベクトルを表現しても
よい。この場合評価関数Ｊは次のようにするのが適当で
ある。

（ａ　）Ｙ＝（ＸＩ　Ｘｔ　ＸＩ　×２　）のときｒｕ
’）ｄｔ （ｂ　）ｙ−（ｘ＋　Ｘ２Ｘ＋　ｘ、）のとき（（ｉ）
Ｖ−（ＸＩ　ＸＩ　ＸＩ　Ｘｉ　ｐ＋　Ｄａ　）のとき
ｒｕ”）ｄｔ 油の圧縮性を考慮した場合にはＤ＋　１）２　を追加す
るのが有効である。

（ｄ　）Ｙ−（ＸＩ　ｘ、菱、灸２Ｄｌｐ２）のときｒ
ｕ’）ｄｔ （ｅ）ｒ＝（ＸＩ　Ｘｚ　ｘ＋長２１）Ｉ１１２）のと
きのとき ｒｕ’）ｄｔまたは のとぎ ｒｕ２）ｄｔまたは （発明の効果） 本発明は上”ｒｆｆ−Ｌ／たように、制振装置が付加マ
スの動作を行なう必要のない制御停止状態であり、付加
マスが中立位置からずれた場合に、これを中立位置に戻
すとき、付加マスの動作によって生じる反力から構造物
が揺れる状況を検知し、構造物の制振を行ないながら付
加マスを中立位置に移動させる。従って、構造物を加振
させることなく付加マスを中立位置に戻すことができる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法のフローチャートを示す説明図、第
２図は本発明で用いる制振装置のモデル図、第３図は本
発明で用いる制御ｉｇ装置の付加マスの固定手段を示す
一例の説明図、第４図は制御系のブロック図、第５図は
本発明の制振装置の側面図、第６図は制振装置の平面図
、第７図は従来の制振装置のモデル図である。 １・・・・・・・・・・・・・・・構造物　　２・・・
・・・付加マス６・・・・・・・・・・・・・・・シリ
ンダ１．１．１２・・・・・・変位検出手段ｌ・・・・
・・・・・・・・・・・制ｗＪ器昭和６２年３月２８日 ′Ｍ２ＷＩ 第５ｒ！ｌＪ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 構造物の振動方向に運動可能な付加マスと、該付加マス
   を運動させる手段から成る制振装置において、 前記制振装置が付加マスを運動させる必要のない制御停
   止状態にあり、前記付加マスが動作範囲の中立位置から
   ずれたとき、付加マスの速度や中立位置からの変位およ
   び構造物の振動に関係する状態変数の状態量を検出しな
   がら、最適レギュレータ理論により評価関数を最小にす
   る制御入力を制御器で演算し、この制御入力信号により
   前記付加マスを中立位置に復帰させることを特徴とする
   制振装置の制御方法。