特開 2024-176694 制振システムおよび制振方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024176694

(43)【公開日】2024-12-19

(54)【発明の名称】制振システムおよび制振方法

(51)【国際特許分類】

   E04H 9/02 20060101AFI20241212BHJP

   F16F 15/02 20060101ALI20241212BHJP

【ＦＩ】

E04H9/02 341D

F16F15/02 C

F16F15/02 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023095437

(22)【出願日】2023-06-09

(71)【出願人】

【識別番号】000002299

【氏名又は名称】清水建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100161506

【弁理士】

【氏名又は名称】川渕 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(72)【発明者】

【氏名】吉田 直人

(72)【発明者】

【氏名】冨吉 雄太

【テーマコード（参考）】

2E139

3J048

【Ｆターム（参考）】

2E139AA01

2E139AA05

2E139AC19

2E139AC43

2E139BB55

2E139BB58

2E139BC16

2E139BD33

3J048AB11

3J048AD03

3J048CB19

3J048CB30

3J048EA38

(57)【要約】      （修正有）

【課題】対象とする外乱の入力レベルを制約せずに装置の制約を考慮して性能限界まで活用できる制振システムおよび制振方法を提供する。
【解決手段】建物の頂部に設けられたアクティブマスダンパーと、建物に外力が作用した際に建物応答と計測する建物応答計測部と、建物応答計測部が計測した建物応答からモード応答を推定するモード応答推定部と、モード応答推定部が推定したモード応答に応じて、各モードの応答に独立に重みを設定する下式（１）の評価関数を用いて建物の加速度を低減させるようにアクティブマスダンパーを制御するモデル予測制御部と、を有する。
［数１］

【選択図】なし

【特許請求の範囲】

【請求項1】

建物の頂部に設けられたアクティブマスダンパーと、
前記建物に外力が作用した際に建物応答と計測する建物応答計測部と、
前記建物応答計測部が計測した建物応答からモード応答を推定するモード応答推定部と、
前記モード応答推定部が推定したモード応答に応じて、各モードの応答に独立に重みを設定する下式（１）の評価関数を用いて前記建物の加速度を低減させるように前記アクティブマスダンパーを制御するモデル予測制御部と、を有する制振システム。

【数1】

【請求項2】

建物の頂部にアクティブマスダンパーを設け、
前記建物に外力が作用した際に建物応答を計測し、
計測した前記建物応答からモード応答を推定し、
推定した前記モード応答に応じて、各モードの応答に独立に重みを設定する下式（１）の評価関数を用いて前記建物の加速度を低減させるように前記アクティブマスダンパーを制御する制振方法。

【数2】

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、制振システムおよび制振方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＡＭＤ（Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｓｓ Ｄａｍｐｅｒ）は、強風時や中小地震の居住性を向上する目的で、高層ビルや塔状構造物、橋梁などに設置されている可動マスと、アクチュエータとから構成されるアクティブ制振装置である。ＡＭＤは、パッシブ型のＴＭＤ（Ｔｕｎｅｄ Ｍａｓｓ Ｄａｎｐｅｒ）と比較して、主構造物に対する質量比が小さくても制振性能が高く、１つの装置で複数モードを制御できる。建物屋上にＡＭＤを設置し制御することによって、より高い制震性能を得ることが可能である。
ＡＭＤの制振性能は、建物に対する可動部の質量比やストロークなどの制振装置のスペックと、ＡＭＤをそのように動かすかを決める制御則の２つから決定される。ＡＭＤは、建物屋上に設置される特性上、実現できる質量やストロークに制限がある。このため。制震性能を向上するためには、限られた装置のスペックを最大限生かした効率的な制御が重要となる。

【0003】

しかしながら、従来のＡＭＤ制御則は、装置の機械的な制約が明確に考慮されていないため、安定的な動作を維持するために制御対象とする入力レベルを制約して、主に風外乱や地震時の後揺れを対象に設計されている。一定の入力レベルを超える中小地震から大地震に対しては、ストロークを超えないよう出力を抑えて保守的な動作をさせる（可変ゲイン制御）か、装置自体を停止、あるいはパッシブ化させてＴＭＤとして動作させている。このため、地震に対してはあまり積極的にＡＭＤの制振性能が活かされていないのが現状である。

【0004】

このような地震時のＡＭＤ運用の課題に対し、当社では対象とする外乱の入力レベルを制約せずに、装置の制約を考慮して性能限界まで活用できる制御則として、モデル予測制御（ＭＰＣ：Ｍｏｄｅｌ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）を用いた制御手法を開発している。モデル予測制御を適用することで、地震時においても積極的にＡＭＤを稼働させ、頻発する中小地震に対して建物応答を低減し、居住性・安心性の向上を図る。また、大地震に対しても装置の性能を最大限生かした安定した制御が可能となり、装置を停止させずに性能範囲内で最大の効果を得られる、地震に対して有用性の高いＡＭＤ制振システムの実現が可能となる。

【0005】

主なＡＭＤの制御手法としては、ＬＱＲ、Ｈ∞制御、極配置法（モード制御）、ＭＰＣなどがある。地震に対する揺れを扱う際は、建物の高次モードの応答も制御できる制御則であることが重要である。しかし、ＬＱＲのような時間領域の制御手法では、応答の大きさのみを考慮して制御入力を決定するため、制御対象としては応答が大きい１次モードが支配的になり２次や３次モードの応答低減効果が得られにくい。これに対し、Ｈ∞制御や極配置法（モード制御）などの周波数領域の制御手法では、対象とするモード・周波数帯域を任意に設定して制御することが可能であるため、建物の振動制御に適しているといえる。
ただし、上記の従来手法は、装置性能の制約を考慮できないため、一定の入力レベルを超える外乱に対しては出力を下げる必要がある。例えば特許文献１に開示されている可変ゲイン制御である。これに対し、近年、計算機の発達に伴いリアルタイムに複雑な処理、より賢い制御が可能になってきており、制約を考慮できる制御手法として、例えば、特許文献２に開示されているモデル予測制御が自動運転やロボット分野で広く使われている。モデル予測制御は各時刻で制御対象の未来の応答を建物の数式モデルを用いて予測することで、決められた制約の範囲内で最適な制御出力を導出できる手法である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００７－２３９９４２号公報

【特許文献2】特開２０２３－００９４８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、これらの手法は、他分野で用いられている一般的なモデル予測制御はＬＱＲと同じく時間領域の制御手法であるため、任意のモードや周波数帯域を狙った制御はできず、建物の振動制御に適しているとはいえない。これらの理由から、高層や超高層の建物では、地震時に１次モードに加えて高次モードの影響により加速度応答が大きくなる場合があるが、建物の複数のモードを考慮した上で地震時にも積極的に制御することは難しい。

【0008】

そこで、本発明は、対象とする外乱の入力レベルを制約せずに装置の制約を考慮して性能限界まで活用できる制振システムおよび制振方法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】

【0009】

上記目的を達成するため、本発明に係る制振システムは、建物の頂部に設けられたアクティブマスダンパーと、記建物に外力が作用した際に建物応答と計測する建物応答計測部と、前記建物応答計測部が計測した建物応答からモード応答を推定するモード応答推定部と、前記モード応答推定部が推定したモード応答に応じて、各モードの応答に独立に重みを設定する下式（１）の評価関数を用いて前記建物の加速度を低減させるように前記アクティブマスダンパーを制御するモデル予測制御部と、を有する。

【0010】

【数1】

【0011】

上記目的を達成するため、本発明に係る制振方法は、建物の頂部にアクティブマスダンパーを設け、前記建物に外力が作用した際に建物応答を計測し、計測した前記建物応答からモード応答を推定し、推定した前記モード応答に応じて、各モードの応答に独立に重みを設定する下式（１）の評価関数を用いて前記建物の加速度を低減させるように前記アクティブマスダンパーを制御する。

【0012】

【数2】

【0013】

本発明では、計測した建物応答から推定したモード応答に応じて建物の加速度を低減させるようにアクティブマスダンパーを制御している。これにより、建物の１次モードに加えて、高層や超高層の建物において加速度応答への影響が大きくなる高次モードを含めた、複数のモードを考慮した上で地震時にも装置の性能限界まで積極的かつ安定的な制御が可能となる。
制御対象とする外乱レベルを制限せずに複数モードを考慮した制御をすることで、１次モードが支配的な風外乱や地震時の後揺れに加え、中小地震や大地震の主要動における高次モードの影響により大きくなる加速度応答の低減が可能となる。
評価関数において各モードの応答に独立に重みを設定できるため、制御目的に応じて狙ったモードの応答低減が可能である。すなわち、アクティブマスダンパーの制約を考慮しながらも、各モードの重みを制御目標に応じて独立に設定できる。
モデル予測制御部により、アクティブマスダンパーの応答（ストロークや速度）を予測し装置の制約を考慮することにより、小さな入力レベルから大きな入力レベルまで対象とする外乱レベルを制限せずに、装置の性能限界（ストローク、推力、速度）を活用することが可能となる。これにより、アクティブマスダンパーの動作可能範囲が広がり、頻発する中小地震や大地震に対する制振効果を向上することができる。
アクティブマスダンパーの制約を明確に考慮できるため、装置の限界性能に対して過大な安全率を見込む必要がなく、装置の性能限界まで有効活用した積極的かつ安定した制御が可能となる。

【発明の効果】

【0014】

本発明の制振システムおよび制振方法によれば、対象とする外乱の入力レベルを制約せずに装置の制約を考慮して性能限界まで活用できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施形態による制振システムが設けられた建物を示す図である。

【図2】モデル予測制御における応答予測のイメージを示す図である。

【図3】制御対象となる建物モデルを示す図である。

【図4】制御対象となるｉ次モードの２質点モデルを示す図である。

【図5】振動台実験による加速度と最大応答値との関係を示すグラフ、変位と最大応答値との関係を示すグラフである。

【図6】６層目の加速度の時刻歴波形を示すグラフである。

【図7】ＡＭＤ挙動の時刻歴波形を示すグラフである。

【図8】制御に用いた推定したモード応答を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施形態による制振システムおよび制振方法について、図１－図８に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施形態による制振システム１は、地震時に１次モードに加えて高次モードの影響により加速度応答が大きくなる場合がある、高層建物や超高層建物などの建物２に設けられている。なお、制振システム１は、風揺れ対策のために、セミアクティブやアクティブなロック装置により免震層を固定した中間層免震建物などにも適用可能である。

【0017】

制振システム１は、アクティブマスダンパー３（以下、ＡＭＤ３と表記する）と、建物応答計測部４と、モード応答推定部５と、モデル予測制御部６と、を有する。ＡＭＤ３は、建物２の頂部に設けられている。建物応答計測部４は、建物２に外力が作用した際に建物２の建物応答を計測する。モード応答推定部５は、建物応答計測部４が計測した建物応答からモード応答を推定する。モデル予測制御部６は、モード応答推定部５が推定したモード応答に応じて建物２の加速度を低減させるようにＡＭＤ３を制御する。

【0018】

本実施形態による制振方法では、建物２の頂部にＡＭＤ３を設け、建物２に外力が作用した際に建物応答計測部４で建物応答を計測し、建物応答計測部４で計測した建物応答からモード応答推定部５でモード応答を推定し、モード応答推定部５で推定したモード応答に応じて建物２の加速度を低減させるようにモデル予測制御部６でＡＭＤ３を制御する。

【0019】

本実施形態による制振システム１および制振方法では、対象とする外乱の入力レベルを制約せずにＡＭＤ３の制約を考慮して性能限界（ストローク、推力、速度）まで活用できるモデル予測制御を適用する。その際に、建物応答からモード応答を推定し制御にフィードバックすることによって、ＡＭＤ３の制約を考慮しながら各モードを独立に制振することが可能になる。これにより、１次モードに加えて高次モードの振動が生じた場合に、ＡＭＤ３によって積極的かつ安定的に振動を抑えることが可能になる。一般的なモデル予測制御に建物応答を直接フィードバックする場合には、応答が大きい１次モードが支配的となり、高次モードの応答低減効果は得られにくい。本実施形態では、建物応答を基に推定した各モードに分離した応答をモデル予測制御に用いることで、制約条件を考慮しながらも複数のモードの考慮が可能である。

【0020】

建物応答計測部４として採用される計測機器およびモード応答推定部５によるモード応答の推定手法は、適宜設定されてよい。例えば、建物応答計測部４として加速度センサを用いて建物応答を計測し、モード応答推定部５ではカルマンタンフィルタを使用してモード応答を推定してもよい。モード応答推定部５によるモード応答の推定の際に必要となる建物２のモード形状は、設計値や観測データを基に既知とする手法や、逐次的にモード形状を同定する手法によって設定してもよい。

【0021】

モデル予測制御部６は、各時刻で制御対象の未来の応答を建物２の数式モデルを用いて予測することで、決められた制約の範囲内で最適な制御入力を導出する。これにより、ＡＭＤ３のストロークや速度指令値、推力の制約を考慮して、ＡＭＤ３の性能限界まで有効活用した積極的かつ安定した制御を行う。図２にモデル予測制御部６による応答予測のイメージを示す。

【0022】

応答予測に用いる建物２の数式モデルを導出する。図３に示すようなｎ質点系の建物２の頂部にＡＭＤ３が設置されたモデルを対象とする。図中のＸ_ｇは、地震入力である。このモデルの運動方程式は外力項を無視すれば以下の式（１）で表される。

【0023】

【数3】

【0024】

設計や観測データから得られた既知のモード形状をｉとすると、ｉ次モードの状態方程式は、以下の式（２）で表される。また、各モードのモデルは図４に示す２質点系で表現できる。この２質点系のモデルは、それぞれのモードが独立しており、あるモードだけに着目した場合、そのモードの応答とＡＭＤ３の応答のみで表現できることが分かる。図中のβ_iは、ｉ次モードの刺激係数である。

【0025】

【数4】

【0026】

制御対象とするモードを１次モードからｎ次モードとすると、モデル予測制御部６で扱う離散状態方程式および状態量は以下の式（３）で表される。

【0027】

【数5】

【0028】

次に、モデル予測制御における評価関数を以下の式（４）に示す。

【0029】

【数6】

【0030】

評価関数は予測した状態量（建物２のモード応答およびＡＭＤ３の応答）と制御入力の二次形式からなり、Ｑ、Ｒはそれぞれに対する重み行列である。状態量の選択（例えば、各モードの変位と速度）や重み行列は、設計パラメータであり、制御目的に合わせて任意に設定する。各時刻において、建物応答を基に推定したモード応答とＡＭＤ３の応答を用いて上記の評価関数を解くことにより、最適な制御入力を導出する。本実施形態による制振システム１では、モデル予測制御部６に与える状態量が上記の式（３）に示すように各モードに分離された応答とＡＭＤ３の応答から構成されている。そのため、モード毎（振動数毎）に独立した重み設定が可能であるとともに、ＡＭＤ３のストロークや制御入力の制約条件の考慮も可能である。

【0031】

上記により定式化した制御則を用いて実施した６層試験体の頂部にＡＭＤ３として単軸アクチュエータを載せた試験体による振動台実験結果を示す。
図５にＪＭＡ神戸波を入力した際の最大応答値を示す。図６に６層目の加速度の時刻歴を示す。いずれもＡＭＤ３を制御しない場合（非制御）、１次モードと２次モードを制御対象とした場合（１次＋２次）、１次モードのみを制御対象とした場合（１次）の３ケースを示す。図５および図６に示すように、１次モードのみの考慮の場合（１次）は、加速度応答の低減効果が小さいのに対し、１次モードに加え２次モードも考慮した場合（１次＋２次）は、非制御時に比べ、加速度応答が低減できていることが分かる。

【0032】

図７にＡＭＤ挙動の変位、速度および制御入力の時刻歴波形を示す。図７に示すように、複数モードを制御対象とした場合にも、ＡＭＤ３のストローク（変位）、速度および制御入力の制約条件の範囲内で制御できていることが分かる。図７内の点線はそれぞれの制約条件を示している。
図８に１次と２次モードを制御対象としたケースにおける、制御に用いる実際に推定したモード応答を示す。図８に示すように、建物応答を基に各モードの応答が良好に推定できていることが分かる。

【0033】

次に、本実施形態による制振システムおよび制振方法の作用・効果について説明する。
本実施形態による制振システム１では、建物応答計測部４が計測した建物応答からモード応答推定部５が推定したモード応答に応じて、モデル予測制御部６が建物の加速度を低減させるようにＡＭＤ３を制御している。これにより、建物２の１次モードに加えて、高層や超高層の建物２において加速度応答への影響が大きくなる高次モードを含めた、複数のモードを考慮した上で地震時にも装置の性能限界（ストローク、推力、速度）まで積極的かつ安定的な制御が可能となる。
制御対象とする外乱レベルを制限せずに複数モードを考慮した制御をすることで、１次モードが支配的な風外乱や地震時の後揺れに加え、中小地震や大地震の主要動における高次モードの影響により大きくなる加速度応答の低減が可能となる。
評価関数において各モードの応答に独立に重みを設定できるため、制御目的に応じて狙ったモードの応答低減が可能である。すなわち、アクティブマスダンパーの制約を考慮しながらも、各モードの重みを制御目標に応じて独立に設定できる。

【0034】

モデル予測制御部６により、ＡＭＤ３の応答（ストロークや速度）を予測し装置の制約を考慮することにより、小さな入力レベルから大きな入力レベルまで対象とする外乱レベルを制限せずに、装置の性能限界を活用することが可能となる。これにより、ＡＭＤ３の動作可能範囲が広がり、頻発する中小地震や大地震に対する制振効果を向上することができる。
ＡＭＤ３の制約を明確に考慮できるため、装置の限界性能に対して過大な安全率を見込む必要がなく、装置の性能限界まで有効活用した積極的かつ安定した制御が可能となる。

【0035】

以上、本発明による制振システムおよび制振方法の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記の実施形態では、制振システムおよび制振方法は、高層建物や超高層建物などの建物２に採用されているが、中層建物や、塔状構造物、橋梁などにも採用されてもよい。

【0036】

２０１５年９月の国連サミットにおいて採択された１７の国際目標として「持続可能な開発目標（Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｇｏａｌｓ：ＳＤＧｓ）」がある。
本実施形態に係る制振システムおよび制振方法は、このＳＤＧｓの１７の目標のうち、例えば「１１．住み続けられるまちづくりを」の目標などの達成に貢献し得る。

【符号の説明】

【0037】

１ 制振システム
２ 建物
３ ＡＭＤ
４ 建物応答計測部
５ モード応答推定部
６ モデル予測制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】