特許 6308518 エネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6308518

(24)【登録日】2018年3月23日

(45)【発行日】2018年4月11日

(54)【発明の名称】エネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム

(51)【国際特許分類】

   E04H 9/02 20060101AFI20180402BHJP

   F16F 15/02 20060101ALI20180402BHJP

【ＦＩ】

   E04H9/02 351

   F16F15/02 A

【請求項の数】9

【全頁数】27

(21)【出願番号】特願2013-235743(P2013-235743)

(22)【出願日】2013年11月14日

(65)【公開番号】特開2015-94192(P2015-94192A)

(43)【公開日】2015年5月18日

【審査請求日】2016年10月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】899000079

【氏名又は名称】学校法人慶應義塾

(74)【代理人】

【識別番号】100106002

【弁理士】

【氏名又は名称】正林 真之

(74)【代理人】

【識別番号】100120891

【弁理士】

【氏名又は名称】林 一好

(72)【発明者】

【氏名】三浦 奈々子

(72)【発明者】

【氏名】高橋 正樹

【審査官】 新井 夕起子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２４３５２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０６５６７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２６５２２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１９１９６１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｅ０４Ｈ ９／０２

Ｆ１６Ｆ １５／０２

Ｆ２４Ｆ １１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水平方向に振動する基体に対して水平方向に相対的に振動可能であり、被支持部材を支持可能な被制振体と、
前記基体に対する水平方向における前記被制振体の相対的な振動を許容する複数の制振装置と、
前記複数の制振装置に対して制御を行う制御部と、
前記制振装置において回生された振動エネルギーを電気エネルギーとして蓄電する蓄電装置と、を備え、
前記制振装置は、ばねを有しておらずアクチュエータにより構成され、
前記制御部は、前記複数の制振装置のうちの所定の前記制振装置に対して、前記基体の振動エネルギーを回生するための回生制御を行うと同時に、前記所定の制振装置以外の他の前記制振装置に対して、前記基体の振動よりも前記被制振体の振動が小さくなるように、回生された振動エネルギーを用いて前記被制振体を前記基体に対して積極的に振動させる振動制御を行い、回生される振動エネルギーを、前記所定の制振装置、及び、前記所定の制振装置以外の他の前記制振装置において用いられるエネルギーよりも大きくする、エネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム。

【請求項2】

前記基体と前記被制振体との間に配置された中間体を備え、
前記所定の制振装置は、前記基体と前記中間体とに接続され、前記基体に対する前記中間体の相対的な振動を許容し、
前記他の制振装置は、前記中間体と前記被制振体とに接続され、回生された振動エネルギーを用いて前記被制振体を前記中間体に対して積極的に振動させる請求項１に記載のエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム。

【請求項3】

前記所定の制振装置及び前記他の制振装置は、前記基体と前記被制振体とに接続され、
前記所定の制振装置は、前記基体に対する前記被制振体の相対的な振動を許容し、
前記他の制振装置は、回生された振動エネルギーを用いて前記被制振体を前記基体に対して積極的に振動させる請求項１に記載のエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム。

【請求項4】

前記回生制御では、エネルギー最適制御が用いられることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム。

【請求項5】

前記エネルギー最適制御では、第１の設計変数をκとし、中間体の減衰係数をｃ_ｉｂとし、中間体の絶対速度を

とし、基体の絶対速度を

とし、制御入力をｕ_ｂとしたときに、以下の式（１）の評価関数が最小となるように制御を行う請求項４に記載のエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム。

【数1】

【請求項6】

前記エネルギー最適制御では、以下の式（３）の評価関数が最小となるように制御を行うことにより、前記制御入力ｕ_ｂは、以下の式（２）により導出される請求項５に記載のエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム。

【数2】

【数3】

【請求項7】

前記振動制御では、最適レギュレータ制御が用いられることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載のエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム。

【請求項8】

前記最適レギュレータ制御では、被制振体のせん断剛性をｋ_ｉｔとし、被制振体の減衰係数をｃ_ｉｔとし、絶対加速度の参照最大応答を

とし、相対変位の参照最大応答を

とし、第２の設計変数をｒとしたときに、以下の式（４）の評価関数が最小となるように制御を行う請求項７に記載のエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム。

【数4】

【請求項9】

前記最適レギュレータ制御では、以下の式（５）の評価関数が最小となるように制御する請求項８に記載のエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム。

【数5】

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動によるエネルギーを回生し、回生されたエネルギーを用いて、アクティブ振動制御を行うエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、地震等によって振動する建物を制振する技術が開示されている。近年では、電気エネルギーを用いてアクチュエータを駆動させて、いわゆるアクティブ振動制御を行う研究が行われている。

【0003】

しかし、アクティブ振動制御においては、振動制御を行うための消費エネルギーが問題となる。具体的には、振動制御を行うためにアクチュエータを駆動することにより消費される電気エネルギーが問題となる。地震の際の停電等により外部電源からアクチュエータへの電力供給が絶たれた場合に、安全性を確保できるか否かが問題となる。これらの問題が、アクティブ振動制御の実用化を阻害する原因となっていた。

【0004】

これに対して、例えば、地震等による振動エネルギーを回生し、回生されたエネルギーを用いて、アクティブ振動制御を行う、いわゆるセルフパワード・アクティブ振動制御が提案されている（非特許文献１参照）。このセルフパワード・アクティブ振動制御では、自動車のサスペンションにおいて自動車の振動によるエネルギーを回生し、回生したエネルギーを用いて、自動車の振動制御を行う。

【0005】

また、エネルギーの回生量が大きく、エネルギー消費の小さいエネルギー最適制御を行うことが提案されている（非特許文献２参照）。これにより、エネルギー回生による充電量が多くなり、アクティブ振動制御を行う際にアクチュエータを駆動する電力の全てを、回生したエネルギーによりまかなうことが可能である。

【0006】

また、制振ダンパでのエネルギー変換を利用したアクティブ振動制御が提案されている（非特許文献３参照）。具体的には、パッシブ制振を行うための制振ダンパの部分で発電されたエネルギーを、蓄電装置に蓄電する。そして、蓄電装置に蓄電されたエネルギーを、他の場所に設けられたアクティブ振動制御を行う制振部において用いる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平９−３２４５５２号公報

【特許文献2】特開２００２−０６８０７９号公報

【特許文献3】特開２００５−２１４３０４号公報

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】中野公彦，須田義大，中代重幸，“セルフパワード・アクティブ振動制御のエネルギ収支”，日本機械学会論文集Ｃ編，Ｖｏｌ．６７，Ｎｏ．６５８（２００１），ＰＰ．１７８５−１７９１

【非特許文献2】福島直人，“制御対象のエネルギ収支に着目した機械力学系の最適制御”，日本機械学會論文集Ｃ編，Ｖｏｌ．７２，Ｎｏ．７２２（２００６），ｐｐ．３１０６−３１１４

【非特許文献3】丹羽直幹，“アクティブ制震システムの提案と装置エネルギースペクトルによる特性分析 : 制震ダンパでのエネルギー変換を利用したアクティブ制震 その１”，日本建築学会構造系論文集，Ｎｏ．６００（２００６），ｐｐ．５１−５９

【非特許文献4】三浦奈々子，高橋正樹，“エネルギー最適制御に基づく建物・設備連成系の振動制御”，第１３回運動と振動の制御シンポジウム（ＭｏＶｉＣ２０１３），Ｄ１５ （２０１３）， ｐｐ． １−１０

【非特許文献5】三浦奈々子，小檜山雅之，“地震時における建物機能維持を目的とした振動制御の二次形式評価関数の設計法”，日本建築学会構造系論文集，Ｖｏｌ．７８，ＮＯ． ６８７ （２０１３）， ｐｐ． ９２３−９２９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかし、非特許文献１に記載された発明では、エネルギーの効率について詳細に開示されておらず、どの程度のエネルギーを使ってどの程度の制御をするかについて具体的に開示されていない。従って、外部電源からの電力供給は必要である。

【0010】

また、非特許文献２に記載された発明では、エネルギー最適制御を行っている。従って、アクチュエータを制御するためのエネルギーを、地震の振動により回生されたエネルギーでまかなうことが可能であるが、制振性は高くない。非特許文献３に記載された発明についても、同様に、優れたエネルギー回生と、高い制振性との両方を満たしてはいない。

【0011】

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、外部からの電気の供給が不要で、優れたエネルギー回生と、高い制振性との両方を満たすエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明は、振動する基体に対して相対的に振動可能であり、被支持部材を支持可能な被制振体と、前記基体に対する前記被制振体の相対的な振動を許容する複数の制振装置と、前記複数の制振装置に対して制御を行う制御部と、前記制振装置において回生された振動エネルギーを電気エネルギーとして蓄電する蓄電装置と、を備え、前記制御部は、前記複数の制振装置のうちの所定の前記制振装置に対して、前記基体の振動エネルギーを回生するための回生制御を行うと同時に、前記所定の制振装置以外の他の前記制振装置に対して、前記基体の振動よりも前記被制振体の振動が小さくなるように、回生された振動エネルギーを用いて前記被制振体を前記基体に対して積極的に振動させる振動制御を行い、回生される振動エネルギーを、前記所定の制振装置、及び、前記所定の制振装置以外の他の前記制振装置において用いられるエネルギーよりも大きくする、エネルギー自己供給型アクティブ振動制御システムに関する。

【0013】

また、前記基体と前記被制振体との間に配置された中間体を備え、前記所定の制振装置は、前記基体と前記中間体とに接続され、前記基体に対する前記中間体の相対的な振体を前記中間体に対して積極的に振動させることが好ましい。

【0014】

又は、前記所定の制振装置及び前記他の制振装置は、前記基体と前記被制振体とに接続され、前記所定の制振装置は、前記基体に対する前記被制振体の相対的な振動を許容し、前記他の制振装置は、回生された振動エネルギーを用いて前記被制振体を前記基体に対して積極的に振動させることが好ましい。

【0015】

また、前記回生制御では、エネルギー最適制御が用いられることが好ましい。

【0016】

また、前記エネルギー最適制御では、第１の設計変数をκとし、中間体の減衰係数をｃ_ｉｂとし、中間体の絶対速度を

とし、基体の絶対速度を

とし、制御入力をｕ_ｂとしたときに、以下の式（１）の評価関数が最小となるように制御を行うことが好ましい。

【数1】

【0017】

具体的には、前記エネルギー最適制御では、以下の式（３）の評価関数が最小となるように制御を行うことにより、前記制御入力ｕ_ｂは、以下の式（２）により導出されることが好ましい。

【数2】

【数3】

【0018】

また、前記振動制御では、最適レギュレータ制御が用いられることが好ましい。

【0019】

また、前記最適レギュレータ制御では、被制振体のせん断剛性をｋ_ｉｔとし、被制振体の減衰係数をｃ_ｉｔとし、絶対加速度の参照最大応答を

とし、相対変位の参照最大応答を

とし、第２の設計変数をｒとしたときに、以下の式（４）の評価関数が最小となるように制御を行うことが好ましい。

【数4】

【0020】

具体的には、前記最適レギュレータ制御では、以下の式（５）の評価関数が最小となるように制御することが好ましい。

【数5】

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、外部からの電気の供給が不要で、優れたエネルギー回生と、高い制振性との両方を満たすエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の第１実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１を示す概略図である。

【図2】本発明の第１実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１を示す概略ブロック図である。

【図3】本発明の第１実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１の振動制御を示すフローチャートである。

【図4】本発明の第１実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１の実施例と比較例とのそれぞれの上床６１の変位を示すグラフである。

【図5】本発明の第１実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１の実施例と比較例とのそれぞれの上床６１の絶対加速度を示すグラフである。

【図6】本発明の第１実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１の実施例と比較例とのそれぞれの制御力を示すグラフである。

【図7】本発明の第１実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１の実施例と比較例とのそれぞれの使用エネルギー量を示すグラフである。

【図8】本発明の第２実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１Ａを示す概略図である。

【図9】本発明の第２実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１Ａの実施例と比較例１と比較例２とのそれぞれの上床６１の変位を示すグラフである。

【図10】本発明の第２実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１Ａの実施例と比較例１と比較例２とのそれぞれの上床６１の絶対加速度を示すグラフである。

【図11】本発明の第２実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１Ａの実施例と比較例１と比較例２とのそれぞれの制御力を示すグラフである。

【図12】本発明の第２実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１Ａの実施例と比較例１と比較例２とのそれぞれの使用エネルギー量を示すグラフである。

【図13】本発明の第２実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１Ａの実施例におけるＥＯ制御、ＬＱＲ制御それぞれについての、制御力及び絶対速度を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明の第１実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システムについて、図１〜図３を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１を示す概略図である。図２は、本発明の第１実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１を示す概略ブロック図である。図３は、本発明の第１実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１の振動制御を示すフローチャートである。

【0024】

図１、図２に示すように、エネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１は、制御部１０と、振動センサ２０と、制御装置としての回生用アクチュエータ３０と、制御装置としての制振用アクチュエータ４０と、中床６２と、上床６１と、を有する。エネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１は、地面に建つビル等の建物の床３と、建物内に配置される被支持部材としての積載物２との間に配置され、地震の際に、積載物２が振動することを抑えるために用いられる。積載物２としては、具体的には、例えば、データサーバや美術品等の、振動に対して弱いものである。

【0025】

建物は、基体としての床３を有している。床３と、被制振体としての上床６１と、床３と上床６１との間に配置された中間体としての中床６２とで、３層の床構造を構成している。床３は、建物の床面である。中床６２は、床３に対して床３の上面に平行に振動可能である。上床６１は、床３の上面に平行に、即ち水平方向に、床３及び中床６２に対して振動可能である。従って上床６１は、地震の際に、振動する床３に対して相対的に振動可能である。上床６１は、積載物２を支持可能であり、上床６１には、積載物２が載置される。床３の上面に平行の方向において、中床６２は、上床６１よりも大きく振動可能であるように、中床６２の端縁から、鉛直上方へ床３から立ち上がる壁面までの距離は、上床６１の端縁から、鉛直上方へ床３から立ち上がる壁面までの距離よりも大きく確保されている。

【0026】

振動センサ２０は、建物の床３の加速度を検出可能な加速度センサ等により構成される振動センサ２０であり、地震の揺れを検出値として検知可能である。図２に示すように、振動センサ２０は、制御部１０に電気的に接続されており、地震の揺れの検出値を電気信号として制御部１０へ出力可能である。制御部１０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等（図示せず）を有しており、回生用アクチュエータ３０及び制振用アクチュエータ４０に、電気的に接続されている。制御部１０は、振動センサ２０からの電気信号を受信し、地震の振動に応じて、回生用アクチュエータ３０及び制振用アクチュエータ４０に対して、これらの駆動を制御する。

【0027】

回生用アクチュエータ３０及び制振用アクチュエータ４０は、蓄電装置５０に電気的に接続されている。蓄電装置５０から回生用アクチュエータ３０及び制振用アクチュエータ４０へ電気を供給可能である。また、回生用アクチュエータ３０は、振動エネルギーを回生して電気を発生する。蓄電装置５０は、回生用アクチュエータ３０において発生した電気を充電可能である。

【0028】

図１に示すように、回生用アクチュエータ３０、制振用アクチュエータ４０は、それぞれ本体３１、４１と、本体３１、４１に対して駆動する駆動部３２、４２とを有している。回生用アクチュエータ３０の本体３１は、建物の床３に接続されて固定されており、回生用アクチュエータ３０の駆動部３２は、中床６２に接続されて固定されている。これにより、回生用アクチュエータ３０は、床３に対する中床６２の相対的な振動を許容する。制振用アクチュエータ４０の本体４１は、中床６２に接続されて固定されており、制振用アクチュエータ４０の駆動部４２は、上床６１に接続されて固定されている。制振用アクチュエータ４０は、回生用アクチュエータ３０において回生された振動エネルギーを用いて、上床６１を中床６２に対して積極的に振動可能である。この構成により、回生用アクチュエータ３０及び制振用アクチュエータ４０は、床３に対する上床６１の相対的な振動を許容する。

【0029】

次に、図１及び図２に示すエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１における、制御部１０による、回生用アクチュエータ３０及び制振用アクチュエータ４０の制御について説明する。

【0030】

制御部１０は、回生用アクチュエータ３０及び制振用アクチュエータ４０に対して、同時に駆動の制御を行う。回生用アクチュエータ３０に対しては、地震による中床６２の振動エネルギーを回生するための回生制御を行う。回生制御としては、エネルギー最適制御（以下「ＥＯ制御」と言う。）が用いられる。このＥＯ制御と同時に、制振用アクチュエータ４０に対しては、床３の振動よりも上床６１の振動が小さくなるように、回生用アクチュエータ３０において回生された振動エネルギーを用いて、上床６１を中床６２に対して積極的に振動させることにより、上床６１を床３に対して積極的に振動させる振動制御を行う。振動制御としては、最適レギュレータ制御（以下「ＬＱＲ制御」と言う。）が用いられる。このように、ＥＯ制御とＬＱＲ制御とを別個のアクチュエータに対して同時に行うことにより、回生用アクチュエータ３０において回生される振動エネルギーを、回生用アクチュエータ３０及び制振用アクチュエータ４０において用いられるエネルギーよりも大きくする。

【0031】

具体的には、図３のフローチャートに示すように、先ず、振動センサ２０が地震の揺れを検出する（ステップＳ１１）。すると、回生用アクチュエータ３０において回生された振動エネルギーにより電気が発生し、この電気は、蓄電装置５０に充電される。そして、制御部１０は、セルフパワード・アクティブ振動制御、即ち、回生用アクチュエータ３０において回生された振動エネルギーにより発生した電気を用いて、制振用アクチュエータ４０及び回生用アクチュエータ３０を駆動制御する、振動制御を開始する（ステップＳ１２）。振動センサ２０が地震の揺れを検出しなくなると（ステップＳ１３）、セルフパワード・アクティブ振動制御を終了する。

【0032】

以下、地震における床３の揺れを一次元方向とした場合の、制御部１０における制御のモデルについて説明する。上述のような構成において、ＥＯ制御による制御入力をｕ_ｂとし、ＬＱＲ制御による制御入力をｕ_ｔとする。運動方程式は、以下のとおりである。

【数6】

この式において、それぞれ、

【数7】

【数8】

【数9】

【数10】

である。

【0033】

ここでｘ_ｉ、ｘ_ｆは、それぞれ中床６２、上床６１についての床３からの相対変位、

は外乱（床３の絶対加速度）、ｍ_ｉは、中床６２及び上床６１の質量、ｍ_ｅは、積載物２の質量の和、ｃ_ｉｂは、中床６２の減衰係数、ｃ_ｉｔは、上床６１の減衰係数、ｋ_ｉｂは、中床６２のせん断剛性、ｋ_ｉｔは、上床６１のせん断剛性である。

【0034】

次に、ｕ_ｂを求める。図１における回生用アクチュエータ３０より上の部分を剛体として、１質点のせん断モデルとして運動方程式を記述すると、次のとおりである。

【数11】

回生エネルギーを得ることのみを制御目的とし，非特許文献４を参考にして設計変数κを用いて、評価関数を次のように置き、この評価関数が最小となるようにする。

【数12】

ここで、

は、中床６２の絶対速度である。このとき、エネルギー最適制御による制御入力は次式となる。

【数13】

【0035】

次に、ｕ_ｔを求める。制御入力ｕ_ｔを決定するために運動方程式を次のように記述する。

【数14】

ここで，状態ベクトルを

【数15】

とすると，上床６１の絶対加速度

、相対変位ｘ_ｆは、次式のように書くことができる。ここで、分散制御で定式化を行うため、

【数16】

とする。

【数17】

【数18】

【数19】

【数20】

【数21】

【0036】

上床６１の絶対加速度と相対変位を制御目的とし、絶対加速度の参照最大応答

と、相対変位の参照最大応答

と、制御力の基準値

とを用いて無次元化評価関数を次のように定義した。

【数22】

【数23】

【数24】

【数25】

ここで、ｒは第２の設計変数である。以上よりｕ_ｔが求まる。

【0037】

次に、各物性値をそれぞれ以下のように定義して実施例を構成し、シミュレーションを行い、上床６１の変位（＝免震層変位）、上床６１の絶対加速度（＝免震床絶対加速度）、制御力、及び、使用エネルギーの評価を行った。各評価においては、振動制御を行わない場合を比較例として比較を行った。評価結果は、図４〜図７に示すとおりである。図４は、本発明の第１実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１の実施例と比較例とのそれぞれの上床６１の変位を示すグラフである。図５は、本発明の第１実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１の実施例と比較例とのそれぞれの上床６１の絶対加速度を示すグラフである。図６は、本発明の第１実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１の実施例と比較例とのそれぞれの制御力を示すグラフである。図７は、本発明の第１実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１の実施例と比較例とのそれぞれの使用エネルギー量を示すグラフである。

【数26】

【数27】

【数28】

【数29】

【数30】

【数31】

上床６１の固有周期

【数32】

中床６２の固有周期

【数33】

上床６１の減衰定数

【数34】

中床６２の減衰定数

【数35】

【0038】

上床６１の変位についての評価結果は、図４のグラフに示すとおりである。図４に示すように、実施例では、比較例と比較して、変位が小さくなっていることが分かる。比較例における上床６１の変位の絶対値の最大値は、１．０２ｍであるのに対して、実施例における上床６１の変位の絶対値の最大値は、０．８３ｍであり、略２０％も値が小さく抑えられている。特に、図４のグラフから分かるように、比較例において変位の絶対値が大きくなっている部分に対応する実施例の部分では、変位の絶対値が効果的に抑えられていることが分かる。また、比較例におけるＲＭＳ値（平均二乗偏差の値）は、０．３７０であるのに対して実施例におけるＲＭＳ値は、０．２９８と小さい値になっている。

【0039】

上床６１の絶対加速度についての評価結果は、図５のグラフに示すとおりである。図５に示すように、実施例では、比較例と比較して、絶対加速度が小さくなっていることが分かる。比較例における絶対加速度の絶対値の最大値は、１．４２ｍ／ｓ^２であるのに対して、実施例における絶対加速度の絶対値の最大値は、１．２１ｍ／ｓ^２であり、略１５％も値が小さく抑えられている。また、比較例におけるＲＭＳ値（平均二乗偏差の値）は、０．５１２であるのに対して実施例におけるＲＭＳ値は、０．４２４と小さい値になっている。特に、グラフから分かるように、比較例において絶対加速度の絶対値が大きくなっている部分に対応する実施例の部分では、絶対加速度の絶対値が効果的に抑えられていることが分かる。

【0040】

制御力についての評価結果は、図６のグラフに示すとおりである。実施例における制振用アクチュエータ４０（Ｕｎｉｔ Ｔ）による制御力の絶対値の最大値は、１００Ｎである。また、実施例における回生用アクチュエータ３０（Ｕｎｉｔ Ｂ）による制御力の絶対値の最大値は、３１２Ｎである。また、実施例における制振用アクチュエータ４０（Ｕｎｉｔ Ｔ）による制御力のＲＭＳ値は、３５であり、実施例における回生用アクチュエータ３０（Ｕｎｉｔ Ｂ）による制御力のＲＭＳ値は、１１３である。

【0041】

また、使用エネルギーの評価においては、電力の回生における損失を考慮し、回生率を

【数36】

として、回生用アクチュエータ３０、制振用アクチュエータ４０における、使用エネルギーを評価した。回生用アクチュエータ３０における消費エネルギー及び回生エネルギーは以下の通りである。

【数37】

【数38】

【0042】

また、制振用アクチュエータ４０における消費エネルギーは以下の通りである。

【数39】

したがって、エネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１全体でのエネルギー収支は次式となる。

【数40】

以上に基づき、使用エネルギーの評価結果をグラフに表すと、図７のとおりである。

【0043】

図７において、実施例（Ｕｎｉｔ Ｔ及びＵｎｉｔ Ｂ）で使用されるエネルギーは、制振用アクチュエータ４０（Ｕｎｉｔ Ｔ）において使用されるエネルギーと、回生用アクチュエータ３０（Ｕｎｉｔ Ｂ）において使用されるエネルギーとの和である。図７のグラフでは、上述のような積分により求められた値を図示されているため、各時刻に得られたエネルギーの累積値を、縦軸上の値として図示している。実施例で使用されるエネルギーは、図７のグラフにおいて負の値の領域にあり、回生用アクチュエータ３０において回生したエネルギーが、制振用アクチュエータ４０及び回生用アクチュエータ３０において使用されるエネルギーを上回っていることが分かる。

【0044】

上記構成の実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１によれば、以下のような効果を得ることができる。

【0045】

エネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１は、振動する基体としての床３に対して相対的に振動可能であり、被支持部材としての積載物２を支持可能な被制振体としての上床６１と、床３に対する上床６１の相対的な振動を許容する複数の制振装置としての回生用アクチュエータ３０及び制振用アクチュエータ４０と、複数のアクチュエータに対して制御を行う制御部１０と、回生用アクチュエータ３０において回生された振動エネルギーを電気エネルギーとして蓄電する蓄電装置５０と、を備える。制御部１０は、複数のアクチュエータのうちの所定の制振装置としての回生用アクチュエータ３０に対して、床３の振動エネルギーを回生するための回生制御を行うと同時に、所定の制振装置以外の他の制振装置としての制振用アクチュエータ４０に対して、床３の振動よりも上床６１の振動が小さくなるように、回生された振動エネルギーを用いて上床６１を床３に対して積極的に振動させる振動制御を行う。

【0046】

この構成により、回生用アクチュエータ３０により回生される振動エネルギーを、制振用アクチュエータ４０及び回生用アクチュエータ３０において用いられるエネルギーよりも大きくすることが可能となる。これのみならずこれに加えて、十分に効果的な振動制御を行うことができる。このため、効果的な振動制御を行うにもかかわらず、エネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１に対して外部からの電気の供給を不要とすることができる。従って、地震の際に停電した場合であっても、確実に効果的な振動制御を行うことができる。

【0047】

また、エネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１は、基体としての床３と被制振体としての上床６１の間に配置された中間体としての中床６２を備え、所定の制振装置としての回生用アクチュエータ３０は、床３と中床６２とに接続され、床３に対する中床６２の相対的な振動を許容する。他の制振装置としての制振用アクチュエータ４０は、中床６２と被制振体としての上床６１とに接続され、回生された振動エネルギーを用いて上床６１を中床６２に対して積極的に振動させる。

【0048】

この構成により、基体としての床３と、中間体としての中床６２との間に回生用アクチュエータ３０を配置させ、中床６２と、被制振体としての上床６１との間に制振用アクチュエータ４０を配置させた構成とすることができる。このため、制振の効果が大きい制振用アクチュエータ４０を積載物２により近い位置に配置させることができ、より効果的な振動制御を行うことができる。

【0049】

また、回生制御では、エネルギー最適制御が用いられる。この構成により、効果的な振動制御と、回生用アクチュエータ３０により回生される振動エネルギーを、制振用アクチュエータ４０及び回生用アクチュエータ３０において用いられるエネルギーよりも大きくすることと、の両立を図ることができる。

【0050】

具体的には、エネルギー最適制御では、第１の設計変数をκとし、中間体の減衰係数をｃ_ｉｂとし、中間体の絶対速度を

とし、基体の絶対速度を

とし、制御入力をｕ_ｂとしたときに、以下の式（１）の評価関数が最小となるように制御を行う。

【数41】

【0051】

より具体的には、エネルギー最適制御では、以下の式（３）の評価関数が最小となるように制御を行うことにより、前記制御入力ｕ_ｂは、以下の式（２）により導出される。

【数42】

【数43】

【0052】

この構成により、より効果的な振動制御を行い、且つ、より多くの振動エネルギーを回生することができる。

【0053】

また、振動制御では、最適レギュレータ制御が用いられる。この構成により、効果的な振動制御と、回生用アクチュエータ３０により回生される振動エネルギーを、制振用アクチュエータ４０及び回生用アクチュエータ３０において用いられるエネルギーよりも大きくすることと、の両立を図ることができる。

【0054】

具体的には、最適レギュレータ制御では、被制振体のせん断剛性をｋ_ｉｔとし、被制振体の減衰係数をｃ_ｉｔとし、非特許文献５に記載の絶対加速度の参照最大応答を

とし、非特許文献５に記載の相対変位の参照最大応答を

とし、第２の設計変数をｒとしたときに、以下の式（４）の評価関数が最小となるように制御を行う。

【数44】

【0055】

より具体的には、最適レギュレータ制御では、以下の式（５）の評価関数が最小となるように制御する。

【数45】

【0056】

この構成により、より効果的な振動制御を行い、且つ、より多くの振動エネルギーを回生することができる。

【0057】

次に、本発明の第２実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システムについて、図８を参照しながら説明する。図８は、本発明の第２実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１Ａを示す概略図である。

【0058】

第２実施形態においては、中床６２が設けられていない点において、第１実施形態とは異なる。これに伴い、回生用アクチュエータ３０及び制振用アクチュエータ４０が設けられている位置が、第１実施形態における回生用アクチュエータ３０及び制振用アクチュエータ４０が設けられている位置とは異なり、それに応じた振動制御が行われる。これ以外は第１実施形態と同一であるため、同様の部材については同一の符号を付し、説明を省略する。

【0059】

建物は、基体としての床３と、被制振体としての上床６１と、を有する２層の床構造を有している。上床６１は、床３の上面に平行に、即ち水平方向に、床３に対して振動可能である。従って上床６１は、地震の際に、振動する床３に対して相対的に振動可能である。上床６１は、積載物２を支持可能であり、上床６１には、積載物２が載置される。

【0060】

図８に示すように、回生用アクチュエータ３０の本体３１は、基体としての建物の床３に接続されて固定されており、回生用アクチュエータ３０の駆動部３２は、被制振体としての上床６１に接続されて固定されている。これにより、回生用アクチュエータ３０は、床３に対する上床６１の相対的な振動を許容する。同様に、制振用アクチュエータ４０の本体４１は、床３に接続されて固定されており、制振用アクチュエータ４０の駆動部４２は、上床６１に接続されて固定されている。制振用アクチュエータ４０は、回生用アクチュエータ３０において回生された振動エネルギーを用いて、上床６１を床３に対して積極的に振動可能である。回生用アクチュエータ３０及び制振用アクチュエータ４０は、床３に対する上床６１の相対的な振動を許容する。

【0061】

次に、エネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１Ａにおける、制御部１０による、回生用アクチュエータ３０及び制振用アクチュエータ４０の制御について説明する。

【0062】

制御部１０は、回生用アクチュエータ３０及び制振用アクチュエータ４０に対して、同時に駆動の制御を行う。回生用アクチュエータ３０に対しては、地震による上床６１の振動エネルギーを回生するための回生制御を行う。回生制御としては、ＥＯ制御が用いられる。このＥＯ制御と同時に、制振用アクチュエータ４０に対しては、床３の振動よりも上床６１の振動が小さくなるように、回生用アクチュエータ３０において回生された振動エネルギーを用いて、上床６１を床３に対して積極的に振動させる振動制御を行う。振動制御としては、ＬＱＲ制御が用いられる。このように、ＥＯ制御とＬＱＲ制御とを別個のアクチュエータに対して同時に行うことにより、回生用アクチュエータ３０において回生される振動エネルギーを、回生用アクチュエータ３０及び制振用アクチュエータ４０において用いられるエネルギーよりも大きくする。

【0063】

以下、地震における床３の揺れを一次元方向とした場合の、制御部１０における制御のモデルについて説明する。回生用アクチュエータ３０における、回生エネルギーを得るためのエネルギー最適制御に基づく制御力の入力をｕ_１とする。また、制振用アクチュエータ４０における、応答の低減を行うための最適レギュレータに基づく制御力の入力をｕ_２とする。回生用アクチュエータ３０及び制振用アクチュエータ４０の制御系設計においては、分散制御として定式化を行う。運動方程式は次のように表される。

【数46】

ここでｘ_ｆは、上床６１の端縁から、床３から立ち上がる壁までの相対変位、

は、外乱（床３の絶対加速度）、ｍ_ｉは、床３の質量、ｍ_ｅは、積載物２の質量の和、ｃ_ｉは、上床６１の減衰係数、ｋ_ｉは、上床６１のせん断剛性である。

【0064】

先ず、ｕ_１の設計を行う。回生エネルギーを得ることのみを制御目的とし、非特許文献４に記載の免震床に対するエネルギー最適制御理論を参考に設計変数κを用いて、評価関数を次のようにおく。

【数47】

ここで、

、

はそれぞれ上床６１の絶対速度、床３の絶対速度である。このとき，エネルギー最適制御による制御入力は次式となる。

【数48】

【0065】

次に、ｕ_２の設計を行う。状態ベクトルを

【数49】

とすると、上床６１の絶対加速度

、相対変位ｘ_ｆは、それぞれ次式のように書くことができる。ここで、分散制御で定式化を行うため

【数50】

としている。

【数51】

【数52】

【数53】

【数54】

【数55】

【0066】

上床６１の絶対加速度と相対変位を制御目的とし、非特許文献５に記載の、絶対加速度の参照最大応答

と、相対変位の参照最大応答

と、制御力の基準値

を用いて無次元化評価関数を次のようにおく。

【数56】

【数57】

【数58】

【数59】

ここで、ｒは第２の設計変数である。以上よりｕ_ｔが求まる。

【0067】

次に、各物性値をそれぞれ以下の値として実施例を構成し、シミュレーションを行い、上床６１の変位（＝免震層変位）、上床６１の絶対加速度（＝免震床絶対加速度）、制御力、及び、使用エネルギーの評価を行った。各評価においては、振動制御を行わない場合を比較例１として、また、ＥＯ制御を行わずにＬＱＲ制御のみを行う場合を比較例２として比較を行った。評価結果は、図９〜図１３に示すとおりである。図９は、本発明の第２実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１Ａの実施例と比較例１と比較例２とのそれぞれの上床６１の変位を示すグラフである。図１０は、本発明の第２実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１Ａの実施例と比較例１と比較例２とのそれぞれの上床６１の絶対加速度を示すグラフである。図１１は、本発明の第２実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１Ａの実施例と比較例１と比較例２とのそれぞれの制御力を示すグラフである。図１２は、本発明の第２実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１Ａの実施例と比較例１と比較例２とのそれぞれの使用エネルギー量を示すグラフである。図１３は、本発明の第２実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１Ａの実施例におけるＥＯ制御、ＬＱＲ制御それぞれについての、制御力及び絶対速度を示すグラフである。
積載荷重

【数60】

上床６１の質量

【数61】

上床６１のせん断剛性

【数62】

上床６１の減衰係数

【数63】

上床６１の固有周期

【数64】

上床６１の減衰定数

【数65】

【0068】

上床６１の変位についての評価結果は、図９のグラフに示すとおりである。図９に示すように、実施例は、比較例１と比較して、大幅に変位が小さくなっていることが分かる。比較例１における上床６１の変位の絶対値の最大値は、０．７５ｍであるのに対して、実施例における上床６１の変位の絶対値の最大値は、０．３７ｍであり、略５０％も値が小さく抑えられている。特に、グラフから分かるように、比較例１において変位の絶対値が大きくなっている部分に対応する実施例の部分では、変位の絶対値が効果的に抑えられていることが分かる。また、比較例１におけるＲＭＳ値（平均二乗偏差の値）は、０．２６２であるのに対して実施例におけるＲＭＳ値は、０．１２２と小さい値になっている。

【0069】

また、実施例においては、比較例２と同等の変位の値となっていることが分かる。即ち、実施例では、後述のように、回生したエネルギーよりも、エネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１Ａ全体で使用するエネルギーの方が小さいにもかかわらず、比較例２と同等の変位の値となるような振動制御が行われていることが分かる。

【0070】

上床６１の絶対加速度についての評価結果は、図１０のグラフに示すとおりである。図１０に示すように、実施例では、比較例１と比較して、絶対加速度が小さくなっていることが分かる。比較例１における絶対加速度の絶対値の最大値は、２．００ｍ／ｓ^２であるのに対して、実施例における絶対加速度の絶対値の最大値は、１．１７ｍ／ｓ^２であり、略４０％も値が小さく抑えられている。特に、グラフから分かるように、比較例１において絶対加速度の絶対値が大きくなっている部分に対応する実施例の部分では、絶対加速度の絶対値が効果的に抑えられていることが分かる。また、比較例１におけるＲＭＳ値（平均二乗偏差の値）は、０．６９１であるのに対して実施例におけるＲＭＳ値は、０．３９０と小さい値になっている。

【0071】

また、実施例においては、比較例２と同等の絶対加速度の値となっていることが分かる。即ち、実施例では、後述のように、回生したエネルギーよりも、エネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１Ａ全体で使用するエネルギーの方が小さいにもかかわらず、比較例２と同等の絶対加速度の値となるような振動制御が行われていることが分かる。

【0072】

制御力についての評価結果は、図１１のグラフに示すとおりである。実施例における制御力の絶対値の最大値は、４８９Ｎである。この値は、比較例２における制御力の値の５４５Ｎに近い値である。また、実施例における制御力のＲＭＳ値は、１６５である。この値は、比較例２における制御力のＲＭＳ値の１６９Ｎに非常に近い値である。

【0073】

このことから、実施例においては、比較例２と同等の制御力の値となっていることが分かる。即ち、実施例では、後述のように、回生したエネルギーよりもエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１Ａ全体で使用するエネルギーの方が小さいにもかかわらず、比較例２と同等の制御力の値となるような振動制御が行われていることが分かる。

【0074】

また、使用エネルギーの評価においては、電力の回生における損失を考慮し、回生率を

【数66】

として、回生用アクチュエータ３０、制振用アクチュエータ４０における、使用エネルギーを評価した。回生用アクチュエータ３０における消費エネルギー及び回生エネルギーは以下の通りである。

【数67】

【数68】

したがって，エネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１Ａ全体でのエネルギー収支は次式となる。

【数69】

以上に基づき、使用エネルギーの評価結果をグラフに表すと、図１２、図１３に示すとおりである。図１２のグラフでは、上述のような積分により求められた値を図示されているため、各時刻に得られたエネルギーの累積値を、縦軸上の値として図示している。

【0075】

実施例で使用されるエネルギーは、図１２のグラフにおいて負の値の領域にあり、回生用アクチュエータ３０において回生したエネルギーが、制振用アクチュエータ４０及び回生用アクチュエータ３０において使用されるエネルギーを上回っていることが分かる。これに対して、比較例２を見ると分かるように、ＬＱＲ制御においては、大きな電気エネルギーを使用することが分かる。

【0076】

また、図１３のグラフに示すように、「ＥＯの占める部分」で示すＥＯ制御によるグラフは、そのほとんどが第２象限と第４象限とに分布しており、振動エネルギーの回生が大きいことが分かる。一方、「ＬＱＲの占める部分」で示すＬＱＲ制御によるグラフは、原点を中心として略円形状をなしており、エネルギーを消費する第１象限と第３象限を多く含み、エネルギー消費が大きいことが分かる。この消費されるエネルギーとしては、前記ＥＯ制御により回生されたエネルギーが用いられる。

【0077】

上記構成の実施形態によるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１Ａによれば、以下のような効果を得ることができる。

【0078】

所定の制振装置としての回生用アクチュエータ３０、及び、他の制振装置としての制振用アクチュエータ４０は、基体としての床３と被制振体としての上床６１とに接続されている。回生用アクチュエータ３０は、床３に対する上床６１の相対的な振動を許容する。制振用アクチュエータ４０は、回生された振動エネルギーを用いて上床６１を床３に対して積極的に振動させる。

【0079】

この構成により、中床６２を不要とすることができ、また、水平方向において、回生用アクチュエータ３０と制振用アクチュエータ４０とを配置させることができる。このため、鉛直方向におけるエネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１Ａの占めるスペースを小さくすることができ、上床６１よりも上において、鉛直方向のスペースをより広く確保することができる。

【0080】

本発明は、上述した実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。例えば、第１実施形態においては、中間体として中床６２が設けられていたが、中床６２に限定されない。同様に、基体は床３により構成されていたが、床３に限定されない。例えば、中床６２に変えて、建物としてのビルの所定のフロア、例えば、３階〜５階の部分が、中間体を構成してもよい。また、第１実施形態においては、床３よりも上の部分は中床６２と上床６１との２層の構造を有していたが、２層に限られず、多数層の構成を有していてもよい。同様に、中間体は１層の中床６２により構成されていたが、複数層の中床６２により構成されていてもよい。

【0081】

また、第１実施形態では、回生用アクチュエータ３０の本体３１は、建物の床３に接続されて固定され、回生用アクチュエータ３０の駆動部３２は、中床６２に接続されて固定されて、制振用アクチュエータ４０の本体４１は、中床６２に接続されて固定され、制振用アクチュエータ４０の駆動部４２は、上床６１に接続されて固定されていたが、この構成に限定されない。例えば、制振用アクチュエータ４０の本体４１は、建物の床３に接続されて固定され、制振用アクチュエータ４０の駆動部４２は、中床６２に接続されて固定され、回生用アクチュエータ３０の本体３１は、中床６２に接続されて固定され、回生用アクチュエータ３０の駆動部３２は、上床６１に接続されて固定されていてもよい。

【0082】

また、エネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム１、１Ａは、地面に建つビル等の建物に設けられたが、これに限定されない。また、地震の揺れに対する振動制御を行うことに限られない。例えば、エネルギー自己供給型アクティブ振動制御システムは、トラックに設けられてもよい。この場合には、エネルギー自己供給型アクティブ振動制御システムは、例えば、トラックの荷室の床と、荷室内に収容される積載物２との間に配置され、トラックが走行しているときに生ずる振動により、積載物２が振動することを抑えるために用いられる。

【0083】

また、上述した実施形態では、制御部１０は、制振用アクチュエータ４０に対してＬＱＲ制御を行ったがＬＱＲ制御に限定されない。また、回生用アクチュエータ３０の数、及び、制振用アクチュエータ４０の数は、それぞれ１つ以上であればよく、個数は限定されない。上述の実施形態では、説明の便宜上、地震における床３の揺れを一次元方向とした場合の、制御部１０における制御のモデルについて説明したが、一次元方向に限定されない。実際には、地震における床３の揺れを三次元方向の揺れとして考えればよい。

【符号の説明】

【0084】

１、１Ａ エネルギー自己供給型アクティブ振動制御システム
２ 積載物
３ 床（基体）
１０ 制御部
３０ 回生用アクチュエータ（所定の前記制振装置）
４０ 制振用アクチュエータ（前記所定の制振装置以外の他の前記制振装置）
５０ 蓄電装置
６１ 上床（被制振体）
６２ 中床（中間体）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】