JPH08326833A - アクティブダンパの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】構造物の揺れの挙動が運動モデルによるものと
違う場合でも、スピルオーバが発生しないアクティブダ
ンパの制御装置を提供することを目的とする。 【構成】構造物に設置するアクティブダンパの制御装置
において、構造物の揺れ速度を検出する速度計８と、構
造物上を移動できる付加質量２と、モータ４と、付加質
量の変位と速度を検出するセンサと、モータの回転を制
御する手段７と、速度計からの信号と、センサからの信
号を入力し、モータの回転を制御する手段７へ制御信号
を出力する制御装置２９を具備し、制御装置２９は、構
造物変位推定部２０とＨ∞制御演算部２１とからなり、
Ｈ∞制御演算部２１はＨ∞制御器であるＨ₁ （Ｓ）とＨ
₂ （Ｓ）から成り、モータ４の回転を制御する手段７
は、Ｈ∞制御演算部２１の制御器及Ｈ₁ （Ｓ）びＨ₂
（Ｓ）からの信号を入力することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、構造物や橋などの構造
物一般に用いられるアクティブダンパの制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のアクティブダンパの構成図を図８
に示す。図８において、１は制振の対象である構造物、
２は構造物上を移動可能な付加質量、３はモータの回転
を付加質量移動に変える手段（例えばボールねじ）、４
はモータ、５と６はモータの回転量と回転速度を検出す
るセンサ（例えばエンコーダとタコジェネレータ）、７
はモータの回転を制御する手段（例えばモータドライ
バ）、８は構造物の揺れの速度を検出する速度計、９は
制御信号（例えばトルク指令）を出力する制御装置であ
る。

【０００３】図９は従来の制御装置９の処理内容を示す
ブロック図である。図９において、１０は構造物速度か
らの構造物変位を推定演算する構造物変位推定部であ
る。

【０００４】１１は付加質量変位と付加質量速度と構造
物変位と構造物速度から、最適ゲインＫ₁ 、Ｋ₂ 、Ｋ
₃ 、Ｋ₄ を各々に掛けて、足し合わせてトルク指令とす
る最適制御演算部である。

【０００５】ここで、最適ゲインＫ₁ 、Ｋ₂ 、Ｋ₃ 、Ｋ
₄ は、実際の構造物の揺れの挙動を等価的に表す図３の
運動モデルをもとに、構造物の揺れが速やかに減衰する
ように予め最適設定された制御ゲインである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】構造物の揺れが、ある
一つの周波数成分のみであるとみなせる場合、つまり他
の周波数成分の振幅が十分小さい場合には、構造物を１
質点とみなすことができ、図３の運動モデルで実際の構
造物の揺れの挙動を表すことができる。

【０００７】しかし、構造物がツインタワー等の複雑な
形状で複数の周波数成分から成る場合において、一番振
幅の大きい代表周波数成分以外は無視して、代表周波数
成分で構造物を１質点とした場合には、図３の運動モデ
ルと実際の構造物の揺れの挙動とに誤差が生じる。

【０００８】このため、図３の運動モデルのもとで、最
適ゲインを決めて最適制御演算部を構成する従来の制御
装置を用いると、制御装置の出力であるトルク指令が無
視した振動成分により励起され、構造物が高周波で振動
するスピルオーバが発生する。

【０００９】スピルオーバとは、制御設計時に考慮しな
かった制御対象の振動モードが、制御によって増幅さ
れ、不安定になってしまうことをいう。本発明は、これ
らの問題を解決することができる制御装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係るアクティブ
ダンパの制御装置は、構造物の風や地震に対する揺れを
低減するために構造物に設置するアクティブダンパの制
御装置において、（Ａ）構造物の揺れの速度を検出する
速度計と、（Ｂ）前記構造物上を移動できる付加質量
と、（Ｃ）モータと、（Ｄ）前記モータの回転を付加質
量の移動に変える手段と、（Ｅ）前記付加質量の変位と
速度を、モータの回転量と回転速度により検出するセン
サと、（Ｆ）前記モータの回転を制御する手段と、
（Ｇ）前記速度計からの信号と、前記センサからの信号
を入力し、前記モータの回転を制御する手段へ制御信号
を出力する制御装置を具備し、（Ｈ）前記制御装置は、
構造物変位推定部とＨ∞制御演算部とからなり、（Ｉ）
前記Ｈ∞制御演算部は、Ｈ∞制御器であるＨ₁ （Ｓ）と
Ｈ₂ （Ｓ）から成り、Ｈ₁ （Ｓ）制御器は、前記センサ
から付加質量の変位を入力し、Ｈ₂ （Ｓ）制御器は、前
記速度計からの信号を構造物変位推定部を介して、構造
物変位として入力し、（Ｊ）前記モータの回転を制御す
る手段は、前記Ｈ∞制御演算部の制御器及Ｈ₁（Ｓ）お
よびＨ₂ （Ｓ）からの信号を入力することを特徴とす
る。

【００１１】

【作用】本発明装置においては、従来の制御装置の制御
方式である最適制御を、Ｈ∞制御に変える。そのため、
従来の最適制御では下記の１項のみの目標仕様を満足す
るのに対し、本発明装置（Ｈ∞制御）では下記の１項と
２項の両方の目標仕様を満足させることができる。 １．構造物の揺れを速やかに減衰させる。 ２．運動モデルに誤差があった場合、つまり実際の構造
物の揺れの挙動が運動モデルによるものと違う場合で
も、ある範囲であればスピルオーバが発生しないことを
保証する。

【００１２】本発明装置のＨ∞制御は、図４に示すよう
に付加質量変位と構造物変位に対して、各々の伝達関数
であるＨ∞制御器Ｈ₁ （Ｓ）とＨ₂ （Ｓ）を掛けて、足
し合わせてトルク指令とする、動的フィードバック制御
である。

【００１３】なお、図４の３３は積分器で、Ａ、Ｂ、
Ｃ、Ｅは図３中に示した運動モデルのパラメータｍ₁ 、
ｋ₁ 、ｃ₁ 、ｍ₂ 、ｋ₂ 、ｃ₂ により定まる定数行列ま
たは定数ベクトルである。

【００１４】つまり図４のＨ₁ （Ｓ）とＨ₂ （Ｓ）を除
く部分は運動モデルをブロック線図で表現したものであ
る。図４のブロック線図において、Ｈ∞ノルムと呼ばれ
る以下の式１の評価関数を満たす制御器Ｈ₁ （Ｓ）とＨ
₂ （Ｓ）を求めることが、Ｈ∞制御器の設計問題であ
る。

【００１５】

【数１】

【００１６】ここで、Ｎは外乱からトルク指令への伝達
関数、Ｍ＝［Ｍ₁ ／Ｍ₂ ］、Ｍ₁ は外乱から付加質量変
位への伝達関数、Ｍ₂ 外乱から構造物変位への伝達関
数、Ｎ、Ｍは以下の式２で表すことができる。

【００１７】なお、 Ｗ₁ ，Ｗ₂ は重み伝達関数と呼ば
れる調整パラメータであり、Ｗ₁ ，Ｗ₂ ＝diag（Ｗ₂₁，
Ｗ₂₂）である。 Ｎ＝Ｈ（Ｉ₁ −Ｐ_u ・Ｈ）^-1Ｐ_w Ｍ＝（Ｉ₁ −Ｐ_u ・Ｈ）^-1Ｐ_w （２） ここで、Ｐ_u 、Ｐ_w は以下の式で計算される伝達関数、
Ｈは以下の式３で表される伝達関数、Ｉ₁ は２×２の単
位行列である。

【００１８】 Ｐ_u ＝Ｃ（ｓＩ₂ −Ａ）^-1Ｂ Ｐ_w ＝Ｃ（ｓＩ₂ −Ａ）^-1Ｅ Ｈ＝［Ｈ₁ Ｈ₂ ］ （３） ここで、Ｉ₂ は４×４の単位行列、ｓはラプラス演算子
である。

【００１９】式（１）の評価関数を満たすＨ∞制御器を
設計することで、以下の特徴をもった制御が実現でき
る。 （１）制御対象の入出力間の応答特性、すなわちトルク
指令に対する付加質量変位および構造物変位の応答特性
について、実際の応答特性と運動モデルの応答特性との
間に加法的誤差Ｗ₁ があっても、スピルオーバが発生し
ないことを保証する。 （２）外乱から構造物変位への伝達関数であるＭ₂ は、
外乱に対する構造物変位の応答特性を表す。

【００２０】重み伝達関数Ｗ₂ の要素であるＷ₂₂を大き
くすることでＭ₂ を小さくするＨ∞制御器が設計でき
る。Ｗ₂₂を構造物が揺れる周波数である共振周波数で大
きくなるように設定することで、外乱に対する構造物変
位の共振周波数のゲインが下がり、構造物の揺れに対す
る減衰が大きくなる。 （３）外乱から付加質量変位への伝達関数であるＭ₁
は、外乱に対する付加質量変位の応答特性を表す。

【００２１】重み伝達関数Ｗ₂ の要素であるＷ₂₁を大き
くすることでＭ₁ を小さくするＨ∞制御器が設計でき
る。Ｗ₂₁を付加質量変位がストローク制限を越えない範
囲でできるだけ小さく設定することで、付加質量の移動
に対する制限が小さくなり、構造物が揺れに対する減衰
が大きくなる。

【００２２】

【実施例】本発明のＨ∞制御による制御装置の処理内容
を図１に示し、アクティブダンパの構成を図２に示す。
図１において、２０は構造物速度から構造物変位を推定
演算する構造物変位推定部である。

【００２３】２１は付加質量変位と構造物変位に、予め
設定したＨ∞制御演算器Ｈ₁ （Ｓ）とＨ₂ （Ｓ）を各々
に掛けて、足し合わせてトルク指令とするＨ∞制御演算
部である。

【００２４】ここでＨ∞制御器は、図４のブロック図の
もと、式（１）の評価関数を満たすように予め求めた制
御器である。重み伝達関数と呼ばれる評価関数内の調整
パラメータＷ₁ 、Ｗ₂ は、制御性能を左右する重要なパ
ラメータであり、以下の方法で決定した。 （１）重み伝達関数Ｗ₁ の決定方法。

【００２５】まず、従来の最適制御のロバスト安定性
（パラメータ変動に強い安定性）、つまり最適制御にお
けるスピルオーバの発生しない許容限界のモデル誤差Ｎ
₁₀をもとめて、これをＷ₁ （Ｗ₁ ＝Ｎ₁₀）とする。

【００２６】つまり、まずはロバスト安定性が最適制御
と同等なるＷ₁ を求めた。ただしこの時点では、実際の
モデル誤差はＨ∞制御の許容限界のモデル誤差Ｗ₁ ＝Ｎ
₁₀より大きいため、Ｈ∞制御でもスピルオーバ現象が発
生する。

【００２７】次に、Ｗ₁ のゲインを少しづつ上げてゆ
き、スピルオーバ現象が発生しなくなるまで大きくし、
これをＷ₁ として決定した。以上の手順でＷ₁ を決定す
ることにより、Ｈ∞制御のロバスト安定性は、実際より
も過大なモデル誤差も、許容する必要以上のロバスト安
定性を持たせることなく、つまりロバスト安定性に相反
する減衰性能の劣化を招くことなく、必要最小限のロバ
スト安定性とすることができた。

【００２８】図５に決定したＷ₁ を示す。 （２）重み伝達関数Ｗ₂ の要素であるＷ₂₂の決定方法。 まず、従来の最適制御における外乱に対する構造物変位
の応答特性Ｍ₂₀をもとめ、構造物変位が最大となる周波
数である共振周波数で現れるゲインのピーク値Ｐ₂ を求
めた。

【００２９】そして、Ｗ₂₂の共振周波数におけるゲイン
Ｋ₂₂が、Ｋ₂₂＊Ｐ₂ ＝１を満たすようにＷ₂₂を求めた。
以上の手順でＷ₂₂を決定することにより、Ｈ∞制御にお
ける外乱に対する構造物変位の応答特性Ｍ₂ は式（１）
の評価関数からＷ₂₂より小さくなるので、構造物の揺れ
の減衰を決める共振周波数でのゲインを、最適制御のゲ
インのＰ₂ と同等化または、それ以下にすることができ
た。

【００３０】図６に決定したＷ₂₂を示す。 （３）重み伝達関数Ｗ₂ の要素であるＷ₂₁の決定方法。 まず、従来の最適制御における外乱に対する付加質量変
位の応答特性Ｍ₁₀をもとめ、付加質量変位が最大となる
周波数である共振周波数で現れるゲインのピーク値Ｐ₁
を求めた。

【００３１】そして、Ｗ₂₁の共振周波数におけるゲイン
Ｋ₂₁が、Ｋ₂₁＊Ｐ₁ が１より十分小さくなるようにＷ₂₁
を求めた。次に、Ｗ₂₁のゲインをすこしづつ上げてゆ
き、付加質量変位がストローク制限以内になるまで大き
くし、これをＷ₂₁として決定した。

【００３２】以上の手順でＷ₂₁を決定することにより、
Ｈ∞制御における外乱における付加質量変位の移動変位
は、ストローク制限以内で最大限に移動できるようにな
り、これにより構造物の揺れの減衰を大きくすることが
できた。

【００３３】図７に決定したＷ₂₁を示す。上述の手順で
調整パラメータＷ₁ 、Ｗ₂ を決定した。そして、図４の
ブロック図のもと、式（１）の評価関数を満たすＨ∞制
御器を、算出した。

【００３４】

【発明の効果】本発明は前述のように構成されていたの
で、以下に記載するような効果を奏する。構造物がツイ
ンタワー等の複雑な形状で、構造物の揺れが複数の周波
数成分から成る場合に、一番振幅の大きい代表周波数成
分以外は無視して、代表周波数成分で構造物を１質点と
した場合には、運動モデルと実際の揺れの挙動とに誤差
が生じる。

【００３５】そのため従来の最適制御では、この運動モ
デルの誤差によって、制御装置の出力であるトルク指令
が無視した周波数成分で励起され、構造物が高周波で振
動するスピルオーバが発生する。

【００３６】しかし、本発明のＨ∞制御による制御装置
をアクティブダンパに用いることにより、スピルオーバ
を発生させることなく、構造物の揺れを速やかに減衰さ
せることが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の制御装置の処理内容を示すブロック線
図。

【図２】本発明の制御装置を用いたアクティブダンパの
構成図。

【図３】本発明または従来の制御装置を設計するのに用
いる運動モデルを示す図。

【図４】本発明の制御装置に組み込んだＨ∞制御の説明
に用いたブロック線図。

【図５】本発明の制御装置に組み込んだＨ∞制御の説明
に用いた調整パラメータＷ₁ を示した図。

【図６】本発明の制御装置に組み込んだＨ∞制御の説明
に用いた調整パラメータＷ₂₂を示した図。

【図７】本発明の制御装置に組み込んだＨ∞制御の説明
に用いた調整パラメータＷ₂₁を示した図。

【図８】従来の制御装置を用いたアクティブダンパの構
成図。

【図９】従来の制御装置の処理内容を示すブロック線
図。

【符号の説明】

１…構造物、 ２…付加質量、 ３…ボールねじ、 ４…モータ、 ５…エンコーダ、 ６…タコジェネレータ、 ７…モータドライバ、 ８…速度計、 ９…制御装置、 １０…構造物変位推定部、 １１…最適制御演算部、 ２０…構造物変位推定部、 ２１…Ｈ∞制御演算部、 ２２…トルク指令、 ２９…制御装置、 ３１…Ｈ∞制御器であるＨ₁ （Ｓ）、 ３２…Ｈ∞制御器であるＨ₂ （Ｓ）、 ３３…積分器、 Ａ…定数行列または定数ベクトル、 Ｂ…定数行列または定数ベクトル、 Ｃ…定数行列または定数ベクトル、 Ｅ…定数行列または定数ベクトル、 Ｋ₁ …最適ゲイン（付加質量変位の）、 Ｋ₂ …最適ゲイン（付加質量速度の）、 Ｋ₃ …最適ゲイン（構造物変位の）、 Ｋ₄ …最適ゲイン（構造物速度の）、 ｍ₁ …構造物の質量、 ｋ₁ …構造物のばね定数、 ｃ₁ …構造物の粘性係数、 ｍ₂ …付加質量の質量、 ｋ₂ …付加質量のばね定数、 ｃ₂ …付加質量の粘性係数。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 浩 広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島製作所内 (72)発明者 今田 健二 広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島製作所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 構造物の風や地震に対する揺れを低減す
   るために構造物に設置するアクティブダンパの制御装置
   において、（Ａ）構造物（１）の揺れの速度を検出する
   速度計（８）と、（Ｂ）前記構造物（１）上を移動でき
   る付加質量（２）と、（Ｃ）モータ（４）と、（Ｄ）前
   記モータ（４）の回転を付加質量（２）の移動に変える
   手段（３）と、（Ｅ）前記付加質量の変位と速度を、モ
   ータ（４）の回転量と回転速度により検出するセンサ
   （５、６）と、（Ｆ）前記モータ（４）の回転を制御す
   る手段（７）と、（Ｇ）前記速度計（８）からの信号
   と、前記センサ（５、６）からの信号を入力し、前記モ
   ータの回転を制御する手段（７）へ制御信号（２２）を
   出力する制御装置（２９）を具備し、（Ｈ）前記制御装
   置（２９）は、構造物変位推定部（２０）とＨ∞制御演
   算部（２１）とからなり、（Ｉ）前記Ｈ∞制御演算部
   （２１）は、Ｈ∞制御器であるＨ₁ （Ｓ）とＨ₂ （Ｓ）
   から成り、 Ｈ₁ （Ｓ）制御器は、前記センサ（５、６）から付加質
   量（２）の変位を入力し、 Ｈ₂ （Ｓ）制御器は、前記速度計（８）からの信号を構
   造物変位推定部（２０）を介して、構造物変位として入
   力し、（Ｊ）前記モータ（４）の回転を制御する手段
   （７）は、前記Ｈ∞制御演算部（２１）の制御器及Ｈ₁
   （Ｓ）およびＨ₂ （Ｓ）からの信号を入力することを特
   徴とするアクティブダンパの制御装置。