振動試験装置
【課題】振動試験装置において、加振可能な周波数帯域を拡大し、ハイブリッド振動試験の性能を向上すること。
【解決手段】振動試験装置１００は、波形発生装置１１、加振機１５、供試体１６、反力計測手段１７、応答計測手段１８、評価対象構造物の他の部分を表した数値モデルを用いて外力に対する数値モデルの振動応答を計算して目標応答信号を出力する数値モデル演算部１２、加振機１５を制御する加振機制御部１４を備える。振動試験装置１００は、数値モデル演算部１２と供試体１６と加振機１５および加振機制御部１４を制御ループと考えた場合に、制御ループを安定化するための安定化補償器１３と、数値モデル演算部１２から出力される目標応答４２と供試体１６の加振により得られる供試体応答４７を入力として、補正出力４９を生成する補正信号演算部１９とを有する。
【解決手段】振動試験装置１００は、波形発生装置１１、加振機１５、供試体１６、反力計測手段１７、応答計測手段１８、評価対象構造物の他の部分を表した数値モデルを用いて外力に対する数値モデルの振動応答を計算して目標応答信号を出力する数値モデル演算部１２、加振機１５を制御する加振機制御部１４を備える。振動試験装置１００は、数値モデル演算部１２と供試体１６と加振機１５および加振機制御部１４を制御ループと考えた場合に、制御ループを安定化するための安定化補償器１３と、数値モデル演算部１２から出力される目標応答４２と供試体１６の加振により得られる供試体応答４７を入力として、補正出力４９を生成する補正信号演算部１９とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動試験装置に係り、特に加振実験と数値モデル計算によるシミュレーションとを実時間で組み合わせて行うハイブリッド式の振動試験装置に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
加振実験と数値モデル計算によるシミュレーションとを実時間で組み合わせて行う振動試験装置に関する従来技術としては、特開平５−１０８４６号公報（特許文献１）に開示された技術がある。この振動試験装置では、評価対象構造物の一部分に供試体を用いてこれを加振し、残りの部分を数値モデル化して数値計算シミュレーションによってその振動応答を計算し、加振実験と数値計算シミュレーションとを実時間で組み合わせて振動試験を行う。数値計算シミュレーションでは、供試体の加振実験によって得られる供試体からの反力と地震加速度とを外力として数値モデルの運動方程式を解いて、供試体に与えるべき変位を計算していた。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１０８４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記従来技術においては、一般に加振機制御系と数値計算シミュレーションを含めたシステム全体の安定性を別々に検討しているため、加振機制御系が安定であっても、加振機の応答遅れの影響と数値計算シミュレーションの特性により、加振実験と数値モデル計算によるシミュレーションとを実時間で組み合わせて行うハイブリッド実験システムとしては不安定となる場合が存在する。また、ハイブリッド実験システムとして安定になるようにシステムを構築すると、加振機追従特性の劣化や、加振可能な周波数帯域が制限されることで、実際の地震波形ならびに構造物の振動応答を十分に再現できない場合がある。
【０００５】
本発明の目的は、加振機制御系と数値計算シミュレーションを含んだハイブリッド実験システムを一つの制御ループと考え、その制御ループの安定性を確保する補償器を作成することでシステム全体の安定性を確保しつつ、加振機の応答遅れを補償する補正信号生成器を別途付加することにより、加振機の目標追従特性を向上させることで加振可能な周波数帯域の拡大を図りその結果、ハイブリッド振動試験の性能を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、供試体とこの供試体に仮想的に接続された数値モデルとからなる構造物を用いて振動試験する振動試験装置において、前記供試体に付与する目標加速度を発生する波形発生装置と、前記供試体を加振する加振機と、この加振機を制御する加振機制御部と、前記供試体を加振したときに、この供試体から前記加振機に加えられる反力を計測する反力計測手段および供試体の応答を計測する応答計測手段と、前記波形発生装置が発生した目標加速度および前記反力計測手段が計測した反力を入力し、数値モデルの振動応答を演算して目標応答を出力する数値モデル演算部と、この目標応答と前記応答計測手段が計測した供試体の応答とを入力し補正出力を出力する補正信号演算部とを備え、前記補正出力を前記波形発生装置と前記加振機制御部間にフィードバックした。
【０００７】
そしてこの特徴において、前記波形発生装置が発生した目標加速度から前記補正出力を減算する減算器と、この減算器の出力および前記反力計測手段が計測した反力を入力し、前記数値モデルを用いて前記加振機制御部に入力する数値シミュレータとを備えるのがよく、前記数値モデル演算部と前記供試体と前記加振機と前記加振機制御部とで構成される制御ループに、この制御ループを安定化させる安定化補償器を設け、前記補正出力を前記数値モデル演算部と前記加振機制御部間にフィードバックしてもよい。
【０００８】
また上記目的を達成するために、目標加速度を発生する波形発生装置と、評価対象構造物の一部を構成する供試体を加振する加振機と、前記供試体を加振したときにこの供試体から前記加振機へ加えられる反力を計測する反力計測手段および前記供試体の応答を計測する応答計測手段と、前記目標加速度および前記反力を入力し、前記供試体に仮想的に接続され前記評価対象構造物の残りの部分を構成する数値モデルを用いてこの数値モデルの振動応答を演算し前記加振機への目標応答を出力する数値モデル演算部と、この数値モデル演算部からの目標応答に基づいて前記加振機を制御する加振機制御部とを備え、前記数値モデル演算部と前記供試体と前記加振機と前記加振機制御部とで構成される制御ループを安定化させる安定化補償器を有し、前記数値モデル演算部から出力される目標応答および前記供試体を加振して得られる供試体の応答を入力し、補正出力を生成する補正出力演算部を設け、生成された補正出力を前記目標応答に加えて前記加振機の加振指令とした。
【０００９】
そしてこの特徴において、前記供試体を加振して得られる供試体の応答は、この供試体の加速度と速度と変位の少なくともいずれかの物理量であり、前記補正出力演算部に入力される供試体の応答は、この供試体の応答と同じ物理量であるのがよく、前記補正出力演算部は、前記目標応答を記憶する目標応答記憶部と、前記供試体の応答を記憶する供試体応答記憶部と、前記目標応答と前記供試体の応答の差分である誤差応答を生成する誤差生成部と、この誤差応答に基づいて補正出力を演算する繰り返し補償手段と、この繰り返し補償手段で得た補正出力を記憶する補正出力記憶部と、この補正出力記憶手段に記憶した補正出力を前記加振機に出力する補正出力部とを有するものでもよい。
【００１０】
また、前記繰り返し補償手段は、前記目標応答から前記供試体の応答までの伝達特性と、前記供試体応答から前記反力までの伝達特性と、前記反力から前記目標応答までの伝達特性を有するものがよく、前記補正出力演算部は、前記目標応答と前記供試体応答の差分である誤差応答に前記繰り返し補償手段の伝達特性を乗じた出力を、前回の補正出力に加算して、新たな補正出力とするものでもよい。
【００１１】
さらに上記目的を達成するために、目標加速度を発生する波形発生装置と、評価対象構造物の一部を構成する供試体を加振する加振機と、前記供試体を加振したときにこの供試体から前記加振機へ加えられる反力を計測する反力計測手段および前記供試体の応答を計測する応答計測手段と、前記目標加速度および前記反力を入力し、前記供試体に仮想的に接続され評価対象構造物の残りの部分を構成する数値モデルを用いてこの数値モデルの振動応答を演算し前記加振機への目標応答を出力する数値モデル演算部と、この数値モデル演算部からの目標応答に基づいて前記加振機を制御する加振機制御部と、前記応答計測手段からの応答信号を用いて供試体が前記加振機に加える反力を推定し、補償出力を出力する外乱推定補償部とを有する。
【００１２】
そしてこの特徴において、前記外乱推定補償部は、前記加振機の伝達特性の逆特性を示すブロックと、ローパスフィルタとハイパスフィルタとバンドパスフィルタのいずれかと、外乱推定部を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の振動試験装置によれば、加振機制御系と数値計算シミュレーションを含んだハイブリッド実験システムの安定性を確保する補償器と、加振機の目標値追従特性向上を図る補償器を独立に設計することで、加振可能な周波数帯域を拡大でき、ハイブリッド振動試験の性能を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態の振動試験装置を、図１〜図４を用いて説明する。
【００１５】
まず、本実施形態の振動試験装置の概要を図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、振動試験装置の構成を模式的に示す図であり、図２は、図１に示した振動試験装置における補正信号演算部の構成を模式的に示す図である。
【００１６】
振動試験装置１００は、波形発生装置１１と、数値モデル演算部１２と、加振部１０１と、補償部１０２とを備えている。この振動試験装置１００は、評価対象構造物の一部分に供試体１６を用い、この供試体１６を実際に加振することで供試体１６からの反力を計測する。それとともに、評価対象構造物の残りの部分を数値モデル化し、数値計算シミュレーションによって振動応答を計算する。すなわち本振動試験装置１００は、加振実験と数値計算シミュレーションとを実時間で組み合わせ、振動試験するいわゆるハイブリッド振動試験装置である。
【００１７】
波形発生装置１１は、地震波形などの指令信号４１を発生させる。波形発生装置１１は、数値モデル化した評価対象構造物への入力加速度を生成する。
【００１８】
数値モデル演算部１２は、数値モデルの振動応答を計算する。ここで、評価対象構造物の供試体１６以外の部分を数値モデル化して、数値モデルを生成する。数値モデル演算部１２は、波形発生装置１１からの指令信号４１と、供試体１６に取り付けた反力計測手段１７が計測した反力（荷重）４８とを外力として、数値モデルの運動方程式を解く。数値モデル演算部１２は、供試体１６に与えるべき変位または速度、加速度の少なくともいずれかを計算し、目標応答４２を出力する。
【００１９】
加振部１０１は、評価対象構造物の一部分である供試体１６と、供試体１６を加振する加振機１５と、加振機１５を制御する加振機制御部１４と、供試体１６の加振時における供試体１６からの反力（荷重）を計測する反力計測手段１７と、供試体１６の加振時における反力以外の応答を計測する応答計測手段１８とを備えている。なお、反力計測手段１７と応答計測手段１８とを、加振機１５に内蔵してもよい。反力計測手段１７は、ロードセルのような力を計測できるセンサである。応答計測手段１８は、供試体１６の変位と速度、加速度の少なくともいずれかを計測可能であり、レーザ変位計やエンコーダ、加速度ピックアップ等が対応する。
【００２０】
補償部１０２は、加算器１３ａ、および安定化補償器１３、補正出力演算部１９（図２参照）を備えている。数値モデル演算部１２からの目標応答４２と補正信号演算部１９からの補正出力４９とを加算器１３ａで加算し、安定化補償器１３に加振機指令４３を出力する。安定化補償器１３は、加振機制御部１４へ加振機指令出力４４を出力する。
【００２１】
ここで、安定化補償器１３を設ける理由を、以下に説明する。振動試験装置１００において、数値モデル演算部１２および加振機制御部１４、加振機１５、供試体１６を、制御ループ（以下、フィードバック制御系と称す）とすれば、安定化補償器１３は、フィードバック補償器として作用し、振動試験装置１００の安定性を確保できる。
【００２２】
つまり、フィードバック制御系の不安定の一因は、加振機１５の応答遅れであるから、安定化補償器１３として、フィードバック制御系における一巡伝達特性のゲイン交差周波数付近の位相を進ませる位相進み補償器を用いる。安定化補償器１３は、加振機制御部１４及び加振機１５に対するフィードフォワード補償器として動作する。なお、フィードバック制御系の安定性を重視すると、加振機１５の目標値追従特性が劣化し、精度の良いハイブリッド式の振動試験を行うことができない。
【００２３】
そこで、加振機１５の目標値追従特性を改善するために、補正信号演算部１９の出力である補正出力４９を、フィードフォワード補償信号として加算器１３ａに入力する。補正出力４９は、数値モデル演算部１２の出力である目標応答４２と応答計測手段１８の出力である供試体応答４７を、補正信号演算部１９に入力して、生成される。補正信号演算部１９の詳細については後述する。
【００２４】
次に、ハイブリッド振動試験機１００を用いた振動試験の手順を、以下に説明する。波形発生装置１１から地震加速度に相当する指令信号４１が、数値モデル演算部１２へ入力される。それとともに、数値モデル演算部１２には、加振部１０１が有する反力計測手段１７が計測した反力４８も入力される。数値モデル演算部１２では、供試体１６以外の部分を模擬した数値モデルを用いて振動応答計算し、供試体１６に与えるべき変位と速度、加速度の少なくともいずれかを演算する。すなわち、数値モデル演算部１２は、加振機１５を用いて供試体１６で再現する目標応答４２を、加算器１３ａに出力する。目標応答４２は、補正信号演算部１９へも入力される。
【００２５】
補償部１０２では、加算器１３ａにおいて、目標応答４２に補正信号演算部１９からの補正出力４９を加算する。加算器１３ａの出力４３は、安定化補償器１３に入力されて、加振機指令出力４４に変換される。
【００２６】
加振機制御部１４は、安定化補償器１３で変換された加振機指令出力４４に従って、加振機１５を制御する。加振機１５は、制御指令４５に従って供試体１６に加振力４６を付与する。供試体１６が加振されたら、反力計測手段１７を用いて反力４８を計測する。それとともに、応答計測手段１８が供試体１６の供試体応答４７を計測する。ここで、応答計測手段１８が変位検出センサであれば、供試体１６の応答変位が計測される。同様に、応答計測手段１８が速度検出センサであれば、供試体１６の応答速度が、応答計測手段１８が加速度検出センサであれば、供試体１６の応答加速度が計測される。上記手順を繰り返すと、１個の地震波に対する１回の振動試験が完了する。
【００２７】
次に、図２を用いて、補正信号演算部１９における信号処理を説明する。補正信号演算部１９には、数値モデル演算部１２から目標応答４２が入力される。それとともに、応答計測手段１８から供試体応答４７が入力される。入力された目標応答４２および供試体応答４７は、例えばＡＤ変換器等によりディジタル信号に変換され、目標応答記憶部２１と供試体応答記憶部２２へそれぞれ入力される。そして、それぞれの試行（１個の地震波に対する１回の振動試験）における応答として記憶される。
【００２８】
目標応答記憶部２１に記憶された目標応答４２と供試体応答記憶部２２に記憶された供試体応答４７とは、誤差生成部２３に入力され、減算処理により、目標応答４２と供試体応答４７の誤差信号５０を生成する。生成された誤差信号５０は、繰り返し補償手段２４に入力されて、繰り返し補償出力５１を生成する。
【００２９】
繰り返し補償出力５１は、加算器６１で補正信号記憶部２５が記憶している１試行前の補正出力４９＊と加算され、補正応答記憶部２５に補正出力４９＊＊として入力される。なお、第１回目の試行においては、１試行前の補正出力４９＊が存在しないので、繰り返し補償出力５１をそのまま補正応答記憶部２５に入力する。
【００３０】
補正応答記憶部２５では、入力された補正出力４９＊＊を補正応答出力部２６へ出力する。補正応答出力部２６は、補正出力４９を補正信号演算部１０２の出力信号として出力する。この補正出力４９を、次回の試行時に使用する。
【００３１】
試行毎に目標応答４２と供試体応答４７の差である誤差信号５０が小さくなるように、補正出力４９を目標応答４２に加算する。これにより、加振機１００の目標追従特性を向上させることができる。補正信号演算部１９の上記処理において、目標応答４２と供試体応答４７の差である誤差信号５０を零にできれば、両者は完全に一致し、ハイブリッド振動試験における評価対象構造物の正確な振動応答が得られる。
【００３２】
補正信号演算部１９が有する繰り返し補償手段２４が、補正出力４９を生成する手順を、図３に示すフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ１１で振動試験が開始され、第１回目の試験が完了すると、補正信号演算部１９に目標応答４２と供試体応答４７が入力される。次いで、ステップＳ１２で、供試体応答４７と目標応答４２とから、誤差生成部２３で誤差信号５０を生成する。
【００３３】
誤差信号５０に対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）等の手法で時系列データを周波数領域のデータに変換し（ステップＳ１３）、誤差信号５０について各周波数成分が得られる。周波数成分毎の誤差信号５０について、以後の演算に不要な成分を省くマスク処理が施される（ステップＳ１４）。ここで、マスク処理する例としては、振動試験において、地震波に含まれる周波数成分以外の周波数成分を取り除くことが挙げられる。
【００３４】
マスク処理した後の誤差信号５０に、繰り返し補償手段２４（図４にて示す伝達特性）を乗算し、繰り返し補正出力５１を生成する。生成された繰り返し補正出力５１は、１回前の試行（第１回目は補正せず）により生成された補正出力４９＊と加算され、新たな補正出力４９＊＊を生成する（ステップＳ１５）。新たな補正信号４９＊＊は、周波数成分毎に分解された信号であるから、ＩＦＦＴ（高速フーリエ逆変換）を実行して、時系列での補正信号を生成する（ステップＳ１６）。
【００３５】
ステップＳ１１からステップＳ１６までの繰り返し演算が所定回数繰り返されたか否かを、ステップＳ１７で判定する。設定された繰り返し回数だけ試行されていれば、試験を終了する。終了の判定には、ユーザが予め定めた指定回数を用いても良いし、誤差信号５０が零になったときとしても良い。なお、設定された繰り返し回数だけ試行されるまでは、ステップＳ１１に戻り、以上の試行を繰り返す。
【００３６】
繰り返し補償手段２４の伝達特性について、図４を用いて説明する。ここでは、一例として目標応答４２と供試体応答４７がともに、変位である場合について説明する。図１に示した振動試験装置１００は、等価的に図４のブロック図で表すことができる。図中の点線部１２は、数値モデル演算部１２である。
【００３７】
数値モデル演算部１２内は、等価的に、２階積分で表現できる伝達特性（Ｇ１（ｓ））３１と、反力４８から数値モデル変位信号までの伝達特性（Ｇ２（ｓ））３２とで表すことができる。加振機指令出力４３から供試体応答変位４７までの伝達特性３３をＧ３（ｓ）、供試体応答変位４７から反力４８までの伝達特性３４を、Ｇ４（ｓ）とする。繰り返し補償手段２４の伝達特性５２を、Ｗ（ｓ）とする。
【００３８】
繰り返し補償出力５１と現試行時に使用した補正出力４９＊を加算して、次回試行時の補正出力４９＊＊とする。ここで、ｎ回目の試行における誤差信号５０をＥｎ（ｓ）とすると、下記の式（１、１）が得られる。
【００３９】
【数１】
このとき、最小回数で誤差信号５０が零に収束するためには、繰り返し補償手段２４の伝達特性５２は式（１．２）となる。
【００４０】
【数２】
上記実施形態においては、供試体応答４７に供試体１６の変位を用いているが、供試体応答４７に供試体１６の速度を用いた場合は、目標応答４２は速度信号となる。同様に、供試体応答４７に加速度を用いた場合には、目標応答４２は加速度信号になる。なお、目標応答の種類に応じて、伝達特性３１および伝達特性３２、繰り返し補償手段２４の構成を変化させる。
【００４１】
本実施形態によれば、加振機制御系と数値計算シミュレーションを含んだハイブリッド実験システムを１個の制御ループと考え、安定化補償器１３をフィードバック補償器として付加したので、ハイブリッド実験システム全体の安定性が向上する。また、加振可能な周波数帯域を拡大できる。さらに、加振機の目標値追従特性を向上させるために、補正信号演算部１９を設けたので、数値モデルの出力である目標応答４２と供試体応答４７を一致させることができ、評価対象構造物の振動応答を精度よく演算できる。
【００４２】
本発明に係る振動試験装置１００の他の実施形態を、図５および図６を用いて説明する。図５は、振動試験装置１００の構成を模式的に示す図であり、図６は図５に示した振動試験装置１００が有する外乱推定部７７の制御ブロック図である。本実施の形態が、上記実施の形態と相違する主な点は、図５に示したように、外乱推定補償部６０が外乱推定部７７を有すること、および外乱推定補償部６０からの応答出力７０を加振機制御部１４にフィードバックしたこと、補正信号演算部１９を省いたことにある。
【００４３】
すなわち、補正信号演算部１９の代わりに、外乱推定補償部６０が設けられている。外乱推定補償部６０は、センサノイズやオフセットを抑制するフィルタ７５、加振機伝達特性の逆特性７６、外乱推定部７７を有している。加振機制御部１４は、加振機１５をフィードバック制御するＦＢ（フィードバック）制御部２８と、加振機１５への指令信号を算出するサーボアンプ３０と、加算器２９とを有している。
【００４４】
図６のブロック線図を用いて、外乱推定補償部６０の処理動作を説明する。外乱推定補償部６０に、応答計測手段１８が計測した加振機１５の加速度信号６１と加振機１５の差圧信号６２が入力される。入力された加速度信号６１に、加振機１５の質量７１（Ｍ）を乗じて、第２の出力信号６５を得る。加速度信号６１は、また、積分器７３にも送られ、速度信号６３が得られる。
【００４５】
加振機１５は油圧加振機なので、ピストン―シリンダ型である。ここで、差圧信号４７について説明する。油圧加振機のシリンダ内には作動油が充満されており、ピストンにより区切られたシリンダの２つの空間に対応して、作動油の圧力を検出する圧力センサが設けられており、その２つの圧力信号の差を取ったものが加振機１５の差圧信号６２となる。加速度信号６１から得られた速度信号６３に、加振機１５のピストンの粘性抵抗係数７４（Ｃａｆ）を乗算して、第１の出力信号６４を得る。第１の出力信号６４と第２の出力信号６５とを加算器７８で加算し、第３の出力信号６６を得る。この第３の出力信号６６は、減算器７９に送られる。
【００４６】
差圧信号６２に、加振機１５のピストンの受圧面積７２（Ａａ）を乗算して、第４の出力信号６７を得る。第４の出力信号６７も、減算器７９に送られる。減算器７９では、差圧信号である第４の出力信号６７から、加速度信号である第３の出力信号６６を減算し、推定外乱信号６８を算出する。
【００４７】
算出された推定外乱信号６８は、センサノイズを抑制するローパスフィルタ、または推定外乱のオフセットを抑制するハイパスフィルタ、この両者の機能を有するバンドパスフィルタの少なくともいずれかであって伝達特性Ｆ（ｓ）であるフィルタ７５に送信される。フィルタ７５に送信された推定外乱信号９８は、フィルタ７５でフィルタリングされて第５の出力信号６９に変換される。
【００４８】
得られた第５の出力信号６９に、さらに加振機１５の伝達特性の逆特性Ｇ（ｓ）を演算して、第６の出力信号７０を得る。この第６の出力信号７０は、図５に示すように、ＦＢ（フィードバック）制御部からの出力信号２７に加算器２９で加算され、サーボアンプ３０に送られる。サーボアンプ３０では、加振機１５への指令信号４５を生成し、加振機１５に送信する。
【００４９】
本実施の形態によれば、加振機１５に供試体１６から加わる外乱を、外乱推定補償器７７が推定し、バンドパスフィルタ７５を通過させる。これにより、正確に外乱成分だけを抽出して、加振機伝達特性の逆特性７６を通過させることができ、正確に再現したい加振機の特性を除き不必要な外乱分だけを加振機制御部１４に出力できる。その結果、加振機制御部１４で、不必要な外乱分を除いた制御指令４５を加振機１５に出力することができ、供試体１６から加わる外乱の影響を加振機１５が受けるのを回避できる。その結果、供試体を加振機がどのように加振しても、所定の加振特性に基づく不必要な外乱分の影響を除いた目標波形を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態の振動試験装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の一実施形態の振動試験装置おける補正信号演算部の構成を模式的に示す図である。
【図３】本発明における繰り返し補償のフローチャートである。
【図４】本発明における繰り返し補償のブロック線図である。
【図５】本発明の他の実施形態の振動試験装置の構成を模式的に示す図である。
【図６】図５に示した振動試験装置が有する外乱推定部の制御ブロック図である。
【符号の説明】
【００５１】
１１…波形発生装置、１２…数値モデル演算部、１３…安定化補償器、１３ａ…加算器、１４…加振制御部、１５…加振機、１６…供試体、１７…反力計測手段、１８…応答計測手段、１９…補正信号演算部、２１…目標応答記憶部、２２…供試体応答記憶部、２３…誤差生成部、２４…繰り返し補償手段、２５…補正応答記憶部、２６…補正応答出力部、２７…出力信号、２８…ＦＢ制御部、２９…加算器、３０…サーボアンプ、３１…２階積分特性、３２…反力から目標応答までの伝達特性、３３…目標応答から供試体応答までの伝達特性、３４…供試体応答から反力までの伝達特性、４１…指令信号、４２…目標応答、４３…加振機指令出力、４３Ａ…出力指令、４４…加振機指令出力、４５…制御指令、４６…加振力、４７…供試体応答、４８…反力、４９…補正出力、５０…誤差信号、５１…補償出力、６０…外乱推定補償部、６１…加速度信号、６２…差圧信号、６３…速度信号、６４〜６７…出力信号、６８…推定外乱信号、６９、７０…出力信号、７１…加振機質量、７２…ピストン受圧面積、７３…積分器、７４…粘性抵抗係数、７５…バンドパスフィルタ、７６…加振機伝達特性の逆特性、７７…外乱推定部、７８…加算器、７９…減算器、１００…振動試験装置、１０１…加振部、１０２、１０２Ａ…補償部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動試験装置に係り、特に加振実験と数値モデル計算によるシミュレーションとを実時間で組み合わせて行うハイブリッド式の振動試験装置に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
加振実験と数値モデル計算によるシミュレーションとを実時間で組み合わせて行う振動試験装置に関する従来技術としては、特開平５−１０８４６号公報（特許文献１）に開示された技術がある。この振動試験装置では、評価対象構造物の一部分に供試体を用いてこれを加振し、残りの部分を数値モデル化して数値計算シミュレーションによってその振動応答を計算し、加振実験と数値計算シミュレーションとを実時間で組み合わせて振動試験を行う。数値計算シミュレーションでは、供試体の加振実験によって得られる供試体からの反力と地震加速度とを外力として数値モデルの運動方程式を解いて、供試体に与えるべき変位を計算していた。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１０８４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記従来技術においては、一般に加振機制御系と数値計算シミュレーションを含めたシステム全体の安定性を別々に検討しているため、加振機制御系が安定であっても、加振機の応答遅れの影響と数値計算シミュレーションの特性により、加振実験と数値モデル計算によるシミュレーションとを実時間で組み合わせて行うハイブリッド実験システムとしては不安定となる場合が存在する。また、ハイブリッド実験システムとして安定になるようにシステムを構築すると、加振機追従特性の劣化や、加振可能な周波数帯域が制限されることで、実際の地震波形ならびに構造物の振動応答を十分に再現できない場合がある。
【０００５】
本発明の目的は、加振機制御系と数値計算シミュレーションを含んだハイブリッド実験システムを一つの制御ループと考え、その制御ループの安定性を確保する補償器を作成することでシステム全体の安定性を確保しつつ、加振機の応答遅れを補償する補正信号生成器を別途付加することにより、加振機の目標追従特性を向上させることで加振可能な周波数帯域の拡大を図りその結果、ハイブリッド振動試験の性能を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、供試体とこの供試体に仮想的に接続された数値モデルとからなる構造物を用いて振動試験する振動試験装置において、前記供試体に付与する目標加速度を発生する波形発生装置と、前記供試体を加振する加振機と、この加振機を制御する加振機制御部と、前記供試体を加振したときに、この供試体から前記加振機に加えられる反力を計測する反力計測手段および供試体の応答を計測する応答計測手段と、前記波形発生装置が発生した目標加速度および前記反力計測手段が計測した反力を入力し、数値モデルの振動応答を演算して目標応答を出力する数値モデル演算部と、この目標応答と前記応答計測手段が計測した供試体の応答とを入力し補正出力を出力する補正信号演算部とを備え、前記補正出力を前記波形発生装置と前記加振機制御部間にフィードバックした。
【０００７】
そしてこの特徴において、前記波形発生装置が発生した目標加速度から前記補正出力を減算する減算器と、この減算器の出力および前記反力計測手段が計測した反力を入力し、前記数値モデルを用いて前記加振機制御部に入力する数値シミュレータとを備えるのがよく、前記数値モデル演算部と前記供試体と前記加振機と前記加振機制御部とで構成される制御ループに、この制御ループを安定化させる安定化補償器を設け、前記補正出力を前記数値モデル演算部と前記加振機制御部間にフィードバックしてもよい。
【０００８】
また上記目的を達成するために、目標加速度を発生する波形発生装置と、評価対象構造物の一部を構成する供試体を加振する加振機と、前記供試体を加振したときにこの供試体から前記加振機へ加えられる反力を計測する反力計測手段および前記供試体の応答を計測する応答計測手段と、前記目標加速度および前記反力を入力し、前記供試体に仮想的に接続され前記評価対象構造物の残りの部分を構成する数値モデルを用いてこの数値モデルの振動応答を演算し前記加振機への目標応答を出力する数値モデル演算部と、この数値モデル演算部からの目標応答に基づいて前記加振機を制御する加振機制御部とを備え、前記数値モデル演算部と前記供試体と前記加振機と前記加振機制御部とで構成される制御ループを安定化させる安定化補償器を有し、前記数値モデル演算部から出力される目標応答および前記供試体を加振して得られる供試体の応答を入力し、補正出力を生成する補正出力演算部を設け、生成された補正出力を前記目標応答に加えて前記加振機の加振指令とした。
【０００９】
そしてこの特徴において、前記供試体を加振して得られる供試体の応答は、この供試体の加速度と速度と変位の少なくともいずれかの物理量であり、前記補正出力演算部に入力される供試体の応答は、この供試体の応答と同じ物理量であるのがよく、前記補正出力演算部は、前記目標応答を記憶する目標応答記憶部と、前記供試体の応答を記憶する供試体応答記憶部と、前記目標応答と前記供試体の応答の差分である誤差応答を生成する誤差生成部と、この誤差応答に基づいて補正出力を演算する繰り返し補償手段と、この繰り返し補償手段で得た補正出力を記憶する補正出力記憶部と、この補正出力記憶手段に記憶した補正出力を前記加振機に出力する補正出力部とを有するものでもよい。
【００１０】
また、前記繰り返し補償手段は、前記目標応答から前記供試体の応答までの伝達特性と、前記供試体応答から前記反力までの伝達特性と、前記反力から前記目標応答までの伝達特性を有するものがよく、前記補正出力演算部は、前記目標応答と前記供試体応答の差分である誤差応答に前記繰り返し補償手段の伝達特性を乗じた出力を、前回の補正出力に加算して、新たな補正出力とするものでもよい。
【００１１】
さらに上記目的を達成するために、目標加速度を発生する波形発生装置と、評価対象構造物の一部を構成する供試体を加振する加振機と、前記供試体を加振したときにこの供試体から前記加振機へ加えられる反力を計測する反力計測手段および前記供試体の応答を計測する応答計測手段と、前記目標加速度および前記反力を入力し、前記供試体に仮想的に接続され評価対象構造物の残りの部分を構成する数値モデルを用いてこの数値モデルの振動応答を演算し前記加振機への目標応答を出力する数値モデル演算部と、この数値モデル演算部からの目標応答に基づいて前記加振機を制御する加振機制御部と、前記応答計測手段からの応答信号を用いて供試体が前記加振機に加える反力を推定し、補償出力を出力する外乱推定補償部とを有する。
【００１２】
そしてこの特徴において、前記外乱推定補償部は、前記加振機の伝達特性の逆特性を示すブロックと、ローパスフィルタとハイパスフィルタとバンドパスフィルタのいずれかと、外乱推定部を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の振動試験装置によれば、加振機制御系と数値計算シミュレーションを含んだハイブリッド実験システムの安定性を確保する補償器と、加振機の目標値追従特性向上を図る補償器を独立に設計することで、加振可能な周波数帯域を拡大でき、ハイブリッド振動試験の性能を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態の振動試験装置を、図１〜図４を用いて説明する。
【００１５】
まず、本実施形態の振動試験装置の概要を図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、振動試験装置の構成を模式的に示す図であり、図２は、図１に示した振動試験装置における補正信号演算部の構成を模式的に示す図である。
【００１６】
振動試験装置１００は、波形発生装置１１と、数値モデル演算部１２と、加振部１０１と、補償部１０２とを備えている。この振動試験装置１００は、評価対象構造物の一部分に供試体１６を用い、この供試体１６を実際に加振することで供試体１６からの反力を計測する。それとともに、評価対象構造物の残りの部分を数値モデル化し、数値計算シミュレーションによって振動応答を計算する。すなわち本振動試験装置１００は、加振実験と数値計算シミュレーションとを実時間で組み合わせ、振動試験するいわゆるハイブリッド振動試験装置である。
【００１７】
波形発生装置１１は、地震波形などの指令信号４１を発生させる。波形発生装置１１は、数値モデル化した評価対象構造物への入力加速度を生成する。
【００１８】
数値モデル演算部１２は、数値モデルの振動応答を計算する。ここで、評価対象構造物の供試体１６以外の部分を数値モデル化して、数値モデルを生成する。数値モデル演算部１２は、波形発生装置１１からの指令信号４１と、供試体１６に取り付けた反力計測手段１７が計測した反力（荷重）４８とを外力として、数値モデルの運動方程式を解く。数値モデル演算部１２は、供試体１６に与えるべき変位または速度、加速度の少なくともいずれかを計算し、目標応答４２を出力する。
【００１９】
加振部１０１は、評価対象構造物の一部分である供試体１６と、供試体１６を加振する加振機１５と、加振機１５を制御する加振機制御部１４と、供試体１６の加振時における供試体１６からの反力（荷重）を計測する反力計測手段１７と、供試体１６の加振時における反力以外の応答を計測する応答計測手段１８とを備えている。なお、反力計測手段１７と応答計測手段１８とを、加振機１５に内蔵してもよい。反力計測手段１７は、ロードセルのような力を計測できるセンサである。応答計測手段１８は、供試体１６の変位と速度、加速度の少なくともいずれかを計測可能であり、レーザ変位計やエンコーダ、加速度ピックアップ等が対応する。
【００２０】
補償部１０２は、加算器１３ａ、および安定化補償器１３、補正出力演算部１９（図２参照）を備えている。数値モデル演算部１２からの目標応答４２と補正信号演算部１９からの補正出力４９とを加算器１３ａで加算し、安定化補償器１３に加振機指令４３を出力する。安定化補償器１３は、加振機制御部１４へ加振機指令出力４４を出力する。
【００２１】
ここで、安定化補償器１３を設ける理由を、以下に説明する。振動試験装置１００において、数値モデル演算部１２および加振機制御部１４、加振機１５、供試体１６を、制御ループ（以下、フィードバック制御系と称す）とすれば、安定化補償器１３は、フィードバック補償器として作用し、振動試験装置１００の安定性を確保できる。
【００２２】
つまり、フィードバック制御系の不安定の一因は、加振機１５の応答遅れであるから、安定化補償器１３として、フィードバック制御系における一巡伝達特性のゲイン交差周波数付近の位相を進ませる位相進み補償器を用いる。安定化補償器１３は、加振機制御部１４及び加振機１５に対するフィードフォワード補償器として動作する。なお、フィードバック制御系の安定性を重視すると、加振機１５の目標値追従特性が劣化し、精度の良いハイブリッド式の振動試験を行うことができない。
【００２３】
そこで、加振機１５の目標値追従特性を改善するために、補正信号演算部１９の出力である補正出力４９を、フィードフォワード補償信号として加算器１３ａに入力する。補正出力４９は、数値モデル演算部１２の出力である目標応答４２と応答計測手段１８の出力である供試体応答４７を、補正信号演算部１９に入力して、生成される。補正信号演算部１９の詳細については後述する。
【００２４】
次に、ハイブリッド振動試験機１００を用いた振動試験の手順を、以下に説明する。波形発生装置１１から地震加速度に相当する指令信号４１が、数値モデル演算部１２へ入力される。それとともに、数値モデル演算部１２には、加振部１０１が有する反力計測手段１７が計測した反力４８も入力される。数値モデル演算部１２では、供試体１６以外の部分を模擬した数値モデルを用いて振動応答計算し、供試体１６に与えるべき変位と速度、加速度の少なくともいずれかを演算する。すなわち、数値モデル演算部１２は、加振機１５を用いて供試体１６で再現する目標応答４２を、加算器１３ａに出力する。目標応答４２は、補正信号演算部１９へも入力される。
【００２５】
補償部１０２では、加算器１３ａにおいて、目標応答４２に補正信号演算部１９からの補正出力４９を加算する。加算器１３ａの出力４３は、安定化補償器１３に入力されて、加振機指令出力４４に変換される。
【００２６】
加振機制御部１４は、安定化補償器１３で変換された加振機指令出力４４に従って、加振機１５を制御する。加振機１５は、制御指令４５に従って供試体１６に加振力４６を付与する。供試体１６が加振されたら、反力計測手段１７を用いて反力４８を計測する。それとともに、応答計測手段１８が供試体１６の供試体応答４７を計測する。ここで、応答計測手段１８が変位検出センサであれば、供試体１６の応答変位が計測される。同様に、応答計測手段１８が速度検出センサであれば、供試体１６の応答速度が、応答計測手段１８が加速度検出センサであれば、供試体１６の応答加速度が計測される。上記手順を繰り返すと、１個の地震波に対する１回の振動試験が完了する。
【００２７】
次に、図２を用いて、補正信号演算部１９における信号処理を説明する。補正信号演算部１９には、数値モデル演算部１２から目標応答４２が入力される。それとともに、応答計測手段１８から供試体応答４７が入力される。入力された目標応答４２および供試体応答４７は、例えばＡＤ変換器等によりディジタル信号に変換され、目標応答記憶部２１と供試体応答記憶部２２へそれぞれ入力される。そして、それぞれの試行（１個の地震波に対する１回の振動試験）における応答として記憶される。
【００２８】
目標応答記憶部２１に記憶された目標応答４２と供試体応答記憶部２２に記憶された供試体応答４７とは、誤差生成部２３に入力され、減算処理により、目標応答４２と供試体応答４７の誤差信号５０を生成する。生成された誤差信号５０は、繰り返し補償手段２４に入力されて、繰り返し補償出力５１を生成する。
【００２９】
繰り返し補償出力５１は、加算器６１で補正信号記憶部２５が記憶している１試行前の補正出力４９＊と加算され、補正応答記憶部２５に補正出力４９＊＊として入力される。なお、第１回目の試行においては、１試行前の補正出力４９＊が存在しないので、繰り返し補償出力５１をそのまま補正応答記憶部２５に入力する。
【００３０】
補正応答記憶部２５では、入力された補正出力４９＊＊を補正応答出力部２６へ出力する。補正応答出力部２６は、補正出力４９を補正信号演算部１０２の出力信号として出力する。この補正出力４９を、次回の試行時に使用する。
【００３１】
試行毎に目標応答４２と供試体応答４７の差である誤差信号５０が小さくなるように、補正出力４９を目標応答４２に加算する。これにより、加振機１００の目標追従特性を向上させることができる。補正信号演算部１９の上記処理において、目標応答４２と供試体応答４７の差である誤差信号５０を零にできれば、両者は完全に一致し、ハイブリッド振動試験における評価対象構造物の正確な振動応答が得られる。
【００３２】
補正信号演算部１９が有する繰り返し補償手段２４が、補正出力４９を生成する手順を、図３に示すフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ１１で振動試験が開始され、第１回目の試験が完了すると、補正信号演算部１９に目標応答４２と供試体応答４７が入力される。次いで、ステップＳ１２で、供試体応答４７と目標応答４２とから、誤差生成部２３で誤差信号５０を生成する。
【００３３】
誤差信号５０に対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）等の手法で時系列データを周波数領域のデータに変換し（ステップＳ１３）、誤差信号５０について各周波数成分が得られる。周波数成分毎の誤差信号５０について、以後の演算に不要な成分を省くマスク処理が施される（ステップＳ１４）。ここで、マスク処理する例としては、振動試験において、地震波に含まれる周波数成分以外の周波数成分を取り除くことが挙げられる。
【００３４】
マスク処理した後の誤差信号５０に、繰り返し補償手段２４（図４にて示す伝達特性）を乗算し、繰り返し補正出力５１を生成する。生成された繰り返し補正出力５１は、１回前の試行（第１回目は補正せず）により生成された補正出力４９＊と加算され、新たな補正出力４９＊＊を生成する（ステップＳ１５）。新たな補正信号４９＊＊は、周波数成分毎に分解された信号であるから、ＩＦＦＴ（高速フーリエ逆変換）を実行して、時系列での補正信号を生成する（ステップＳ１６）。
【００３５】
ステップＳ１１からステップＳ１６までの繰り返し演算が所定回数繰り返されたか否かを、ステップＳ１７で判定する。設定された繰り返し回数だけ試行されていれば、試験を終了する。終了の判定には、ユーザが予め定めた指定回数を用いても良いし、誤差信号５０が零になったときとしても良い。なお、設定された繰り返し回数だけ試行されるまでは、ステップＳ１１に戻り、以上の試行を繰り返す。
【００３６】
繰り返し補償手段２４の伝達特性について、図４を用いて説明する。ここでは、一例として目標応答４２と供試体応答４７がともに、変位である場合について説明する。図１に示した振動試験装置１００は、等価的に図４のブロック図で表すことができる。図中の点線部１２は、数値モデル演算部１２である。
【００３７】
数値モデル演算部１２内は、等価的に、２階積分で表現できる伝達特性（Ｇ１（ｓ））３１と、反力４８から数値モデル変位信号までの伝達特性（Ｇ２（ｓ））３２とで表すことができる。加振機指令出力４３から供試体応答変位４７までの伝達特性３３をＧ３（ｓ）、供試体応答変位４７から反力４８までの伝達特性３４を、Ｇ４（ｓ）とする。繰り返し補償手段２４の伝達特性５２を、Ｗ（ｓ）とする。
【００３８】
繰り返し補償出力５１と現試行時に使用した補正出力４９＊を加算して、次回試行時の補正出力４９＊＊とする。ここで、ｎ回目の試行における誤差信号５０をＥｎ（ｓ）とすると、下記の式（１、１）が得られる。
【００３９】
【数１】
このとき、最小回数で誤差信号５０が零に収束するためには、繰り返し補償手段２４の伝達特性５２は式（１．２）となる。
【００４０】
【数２】
上記実施形態においては、供試体応答４７に供試体１６の変位を用いているが、供試体応答４７に供試体１６の速度を用いた場合は、目標応答４２は速度信号となる。同様に、供試体応答４７に加速度を用いた場合には、目標応答４２は加速度信号になる。なお、目標応答の種類に応じて、伝達特性３１および伝達特性３２、繰り返し補償手段２４の構成を変化させる。
【００４１】
本実施形態によれば、加振機制御系と数値計算シミュレーションを含んだハイブリッド実験システムを１個の制御ループと考え、安定化補償器１３をフィードバック補償器として付加したので、ハイブリッド実験システム全体の安定性が向上する。また、加振可能な周波数帯域を拡大できる。さらに、加振機の目標値追従特性を向上させるために、補正信号演算部１９を設けたので、数値モデルの出力である目標応答４２と供試体応答４７を一致させることができ、評価対象構造物の振動応答を精度よく演算できる。
【００４２】
本発明に係る振動試験装置１００の他の実施形態を、図５および図６を用いて説明する。図５は、振動試験装置１００の構成を模式的に示す図であり、図６は図５に示した振動試験装置１００が有する外乱推定部７７の制御ブロック図である。本実施の形態が、上記実施の形態と相違する主な点は、図５に示したように、外乱推定補償部６０が外乱推定部７７を有すること、および外乱推定補償部６０からの応答出力７０を加振機制御部１４にフィードバックしたこと、補正信号演算部１９を省いたことにある。
【００４３】
すなわち、補正信号演算部１９の代わりに、外乱推定補償部６０が設けられている。外乱推定補償部６０は、センサノイズやオフセットを抑制するフィルタ７５、加振機伝達特性の逆特性７６、外乱推定部７７を有している。加振機制御部１４は、加振機１５をフィードバック制御するＦＢ（フィードバック）制御部２８と、加振機１５への指令信号を算出するサーボアンプ３０と、加算器２９とを有している。
【００４４】
図６のブロック線図を用いて、外乱推定補償部６０の処理動作を説明する。外乱推定補償部６０に、応答計測手段１８が計測した加振機１５の加速度信号６１と加振機１５の差圧信号６２が入力される。入力された加速度信号６１に、加振機１５の質量７１（Ｍ）を乗じて、第２の出力信号６５を得る。加速度信号６１は、また、積分器７３にも送られ、速度信号６３が得られる。
【００４５】
加振機１５は油圧加振機なので、ピストン―シリンダ型である。ここで、差圧信号４７について説明する。油圧加振機のシリンダ内には作動油が充満されており、ピストンにより区切られたシリンダの２つの空間に対応して、作動油の圧力を検出する圧力センサが設けられており、その２つの圧力信号の差を取ったものが加振機１５の差圧信号６２となる。加速度信号６１から得られた速度信号６３に、加振機１５のピストンの粘性抵抗係数７４（Ｃａｆ）を乗算して、第１の出力信号６４を得る。第１の出力信号６４と第２の出力信号６５とを加算器７８で加算し、第３の出力信号６６を得る。この第３の出力信号６６は、減算器７９に送られる。
【００４６】
差圧信号６２に、加振機１５のピストンの受圧面積７２（Ａａ）を乗算して、第４の出力信号６７を得る。第４の出力信号６７も、減算器７９に送られる。減算器７９では、差圧信号である第４の出力信号６７から、加速度信号である第３の出力信号６６を減算し、推定外乱信号６８を算出する。
【００４７】
算出された推定外乱信号６８は、センサノイズを抑制するローパスフィルタ、または推定外乱のオフセットを抑制するハイパスフィルタ、この両者の機能を有するバンドパスフィルタの少なくともいずれかであって伝達特性Ｆ（ｓ）であるフィルタ７５に送信される。フィルタ７５に送信された推定外乱信号９８は、フィルタ７５でフィルタリングされて第５の出力信号６９に変換される。
【００４８】
得られた第５の出力信号６９に、さらに加振機１５の伝達特性の逆特性Ｇ（ｓ）を演算して、第６の出力信号７０を得る。この第６の出力信号７０は、図５に示すように、ＦＢ（フィードバック）制御部からの出力信号２７に加算器２９で加算され、サーボアンプ３０に送られる。サーボアンプ３０では、加振機１５への指令信号４５を生成し、加振機１５に送信する。
【００４９】
本実施の形態によれば、加振機１５に供試体１６から加わる外乱を、外乱推定補償器７７が推定し、バンドパスフィルタ７５を通過させる。これにより、正確に外乱成分だけを抽出して、加振機伝達特性の逆特性７６を通過させることができ、正確に再現したい加振機の特性を除き不必要な外乱分だけを加振機制御部１４に出力できる。その結果、加振機制御部１４で、不必要な外乱分を除いた制御指令４５を加振機１５に出力することができ、供試体１６から加わる外乱の影響を加振機１５が受けるのを回避できる。その結果、供試体を加振機がどのように加振しても、所定の加振特性に基づく不必要な外乱分の影響を除いた目標波形を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態の振動試験装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の一実施形態の振動試験装置おける補正信号演算部の構成を模式的に示す図である。
【図３】本発明における繰り返し補償のフローチャートである。
【図４】本発明における繰り返し補償のブロック線図である。
【図５】本発明の他の実施形態の振動試験装置の構成を模式的に示す図である。
【図６】図５に示した振動試験装置が有する外乱推定部の制御ブロック図である。
【符号の説明】
【００５１】
１１…波形発生装置、１２…数値モデル演算部、１３…安定化補償器、１３ａ…加算器、１４…加振制御部、１５…加振機、１６…供試体、１７…反力計測手段、１８…応答計測手段、１９…補正信号演算部、２１…目標応答記憶部、２２…供試体応答記憶部、２３…誤差生成部、２４…繰り返し補償手段、２５…補正応答記憶部、２６…補正応答出力部、２７…出力信号、２８…ＦＢ制御部、２９…加算器、３０…サーボアンプ、３１…２階積分特性、３２…反力から目標応答までの伝達特性、３３…目標応答から供試体応答までの伝達特性、３４…供試体応答から反力までの伝達特性、４１…指令信号、４２…目標応答、４３…加振機指令出力、４３Ａ…出力指令、４４…加振機指令出力、４５…制御指令、４６…加振力、４７…供試体応答、４８…反力、４９…補正出力、５０…誤差信号、５１…補償出力、６０…外乱推定補償部、６１…加速度信号、６２…差圧信号、６３…速度信号、６４〜６７…出力信号、６８…推定外乱信号、６９、７０…出力信号、７１…加振機質量、７２…ピストン受圧面積、７３…積分器、７４…粘性抵抗係数、７５…バンドパスフィルタ、７６…加振機伝達特性の逆特性、７７…外乱推定部、７８…加算器、７９…減算器、１００…振動試験装置、１０１…加振部、１０２、１０２Ａ…補償部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供試体とこの供試体に仮想的に接続された数値モデルとからなる構造物を用いて振動試験する振動試験装置において、
前記供試体に付与する目標加速度を発生する波形発生装置と、
前記供試体を加振する加振機と、
この加振機を制御する加振機制御部と、
前記供試体を加振したときに、この供試体から前記加振機に加えられる反力を計測する反力計測手段および前記供試体の応答を計測する応答計測手段と、
前記波形発生装置が発生した目標加速度および前記反力計測手段が計測した反力を入力し、前記数値モデルの振動応答を演算して目標応答を出力する数値モデル演算部と、
この目標応答と前記応答計測手段が計測した供試体の応答とを入力し補正出力を出力する補正信号演算部とを備え、
前記補正出力を前記波形発生装置と前記加振機制御部間に加算したことを特徴とする振動試験装置。
【請求項２】
前記波形発生装置が発生した目標加速度から前記補正出力を減算する減算器と、この減算器の出力および前記反力計測手段が計測した反力を入力し、前記数値モデルを用いて前記加振機制御部に入力する数値シミュレータとを備えたことを特徴とする請求項１に記載の振動試験装置。
【請求項３】
前記数値モデル演算部と前記供試体と前記加振機と前記加振機制御部とで構成される制御ループに、この制御ループを安定化させる安定化補償器を設け、前記補正出力を前記数値モデル演算部と前記加振機制御部間にフィードバックしたことを特徴とする請求項１に記載の振動試験装置。
【請求項４】
目標加速度を発生する波形発生装置と、
評価対象構造物の一部を構成する供試体を加振する加振機と、
前記供試体を加振したときにこの供試体から前記加振機へ加えられる反力を計測する反力計測手段および前記供試体の応答を計測する応答計測手段と、
前記目標加速度および前記反力を入力し、前記供試体に仮想的に接続され前記評価対象構造物の残りの部分を構成する数値モデルを用いてこの数値モデルの振動応答を演算し前記加振機への目標応答を出力する数値モデル演算部と、
この数値モデル演算部からの目標応答に基づいて前記加振機を制御する加振機制御部とを備え、
前記数値モデル演算部と前記供試体と前記加振機と前記加振機制御部とで構成される制御ループを安定化させる安定化補償器を有し、
前記数値モデル演算部から出力される目標応答および前記供試体を加振して得られる供試体の応答を入力し、補正出力を生成する補正出力演算部を設け、
生成された補正出力を前記目標応答に加えて前記加振機の加振指令とすることを特徴とする振動試験装置。
【請求項５】
前記供試体を加振して得られる供試体の応答は、前記供試体の加速度と速度と変位の少なくともいずれかの物理量であり、前記補正出力演算部に入力される供試体の応答は、前記供試体の応答と同じ物理量であることを特徴とする請求項４に記載の振動試験装置。
【請求項６】
前記補正出力演算部は、前記目標応答を記憶する目標応答記憶部と、前記供試体の応答を記憶する供試体応答記憶部と、前記目標応答と前記供試体の応答の差分である誤差応答を生成する誤差生成部と、この誤差応答に基づいて補正出力を演算する繰り返し補償手段と、この繰り返し補償手段で得た補正出力を記憶する補正出力記憶部と、この補正出力記憶手段に記憶した補正出力を前記加振機に出力する補正出力部とを有することを特徴とする請求項４に記載の振動試験装置。
【請求項７】
前記繰り返し補償手段は、前記目標応答から前記供試体の応答までの伝達特性と、前記供試体の応答から前記反力までの伝達特性と、前記反力から前記目標応答までの伝達特性を有することを特徴とする請求項６に記載の振動試験装置。
【請求項８】
前記補正出力演算部は、前記目標応答と前記供試体の応答の差分である誤差応答に前記繰り返し補償手段の伝達特性を乗じた出力を、前回の補正出力に加算して、新たな補正出力とすることを特徴とする請求項６または７に記載の振動試験装置。
【請求項９】
目標加速度を発生する波形発生装置と、
評価対象構造物の一部を構成する供試体を加振する加振機と、
前記供試体を加振したときにこの供試体から前記加振機へ加えられる反力を計測する反力計測手段および前記供試体の応答を計測する応答計測手段と、
前記目標加速度および前記反力を入力し、前記供試体に仮想的に接続され前記評価対象構造物の残りの部分を構成する数値モデルを用いてこの数値モデルの振動応答を演算し前記加振機への目標応答を出力する数値モデル演算部と、
この数値モデル演算部からの目標応答に基づいて前記加振機を制御する加振機制御部と、
前記応答計測手段からの応答信号を用いて供試体が前記加振機に加える反力を推定し、補償出力を出力する外乱推定補償部とを備え、
前記補償出力を加振機制御部にフィードバックしたことを特徴とする振動試験装置。
【請求項１０】
前記外乱推定補償部は、前記加振機の伝達特性の逆特性を示すブロックと、ローパスフィルタとハイパスフィルタとバンドパスフィルタのいずれかと、外乱推定部とを有することを特徴とする請求項９に記載の振動試験装置。
【請求項１】
供試体とこの供試体に仮想的に接続された数値モデルとからなる構造物を用いて振動試験する振動試験装置において、
前記供試体に付与する目標加速度を発生する波形発生装置と、
前記供試体を加振する加振機と、
この加振機を制御する加振機制御部と、
前記供試体を加振したときに、この供試体から前記加振機に加えられる反力を計測する反力計測手段および前記供試体の応答を計測する応答計測手段と、
前記波形発生装置が発生した目標加速度および前記反力計測手段が計測した反力を入力し、前記数値モデルの振動応答を演算して目標応答を出力する数値モデル演算部と、
この目標応答と前記応答計測手段が計測した供試体の応答とを入力し補正出力を出力する補正信号演算部とを備え、
前記補正出力を前記波形発生装置と前記加振機制御部間に加算したことを特徴とする振動試験装置。
【請求項２】
前記波形発生装置が発生した目標加速度から前記補正出力を減算する減算器と、この減算器の出力および前記反力計測手段が計測した反力を入力し、前記数値モデルを用いて前記加振機制御部に入力する数値シミュレータとを備えたことを特徴とする請求項１に記載の振動試験装置。
【請求項３】
前記数値モデル演算部と前記供試体と前記加振機と前記加振機制御部とで構成される制御ループに、この制御ループを安定化させる安定化補償器を設け、前記補正出力を前記数値モデル演算部と前記加振機制御部間にフィードバックしたことを特徴とする請求項１に記載の振動試験装置。
【請求項４】
目標加速度を発生する波形発生装置と、
評価対象構造物の一部を構成する供試体を加振する加振機と、
前記供試体を加振したときにこの供試体から前記加振機へ加えられる反力を計測する反力計測手段および前記供試体の応答を計測する応答計測手段と、
前記目標加速度および前記反力を入力し、前記供試体に仮想的に接続され前記評価対象構造物の残りの部分を構成する数値モデルを用いてこの数値モデルの振動応答を演算し前記加振機への目標応答を出力する数値モデル演算部と、
この数値モデル演算部からの目標応答に基づいて前記加振機を制御する加振機制御部とを備え、
前記数値モデル演算部と前記供試体と前記加振機と前記加振機制御部とで構成される制御ループを安定化させる安定化補償器を有し、
前記数値モデル演算部から出力される目標応答および前記供試体を加振して得られる供試体の応答を入力し、補正出力を生成する補正出力演算部を設け、
生成された補正出力を前記目標応答に加えて前記加振機の加振指令とすることを特徴とする振動試験装置。
【請求項５】
前記供試体を加振して得られる供試体の応答は、前記供試体の加速度と速度と変位の少なくともいずれかの物理量であり、前記補正出力演算部に入力される供試体の応答は、前記供試体の応答と同じ物理量であることを特徴とする請求項４に記載の振動試験装置。
【請求項６】
前記補正出力演算部は、前記目標応答を記憶する目標応答記憶部と、前記供試体の応答を記憶する供試体応答記憶部と、前記目標応答と前記供試体の応答の差分である誤差応答を生成する誤差生成部と、この誤差応答に基づいて補正出力を演算する繰り返し補償手段と、この繰り返し補償手段で得た補正出力を記憶する補正出力記憶部と、この補正出力記憶手段に記憶した補正出力を前記加振機に出力する補正出力部とを有することを特徴とする請求項４に記載の振動試験装置。
【請求項７】
前記繰り返し補償手段は、前記目標応答から前記供試体の応答までの伝達特性と、前記供試体の応答から前記反力までの伝達特性と、前記反力から前記目標応答までの伝達特性を有することを特徴とする請求項６に記載の振動試験装置。
【請求項８】
前記補正出力演算部は、前記目標応答と前記供試体の応答の差分である誤差応答に前記繰り返し補償手段の伝達特性を乗じた出力を、前回の補正出力に加算して、新たな補正出力とすることを特徴とする請求項６または７に記載の振動試験装置。
【請求項９】
目標加速度を発生する波形発生装置と、
評価対象構造物の一部を構成する供試体を加振する加振機と、
前記供試体を加振したときにこの供試体から前記加振機へ加えられる反力を計測する反力計測手段および前記供試体の応答を計測する応答計測手段と、
前記目標加速度および前記反力を入力し、前記供試体に仮想的に接続され前記評価対象構造物の残りの部分を構成する数値モデルを用いてこの数値モデルの振動応答を演算し前記加振機への目標応答を出力する数値モデル演算部と、
この数値モデル演算部からの目標応答に基づいて前記加振機を制御する加振機制御部と、
前記応答計測手段からの応答信号を用いて供試体が前記加振機に加える反力を推定し、補償出力を出力する外乱推定補償部とを備え、
前記補償出力を加振機制御部にフィードバックしたことを特徴とする振動試験装置。
【請求項１０】
前記外乱推定補償部は、前記加振機の伝達特性の逆特性を示すブロックと、ローパスフィルタとハイパスフィルタとバンドパスフィルタのいずれかと、外乱推定部とを有することを特徴とする請求項９に記載の振動試験装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−１０２１２７（Ｐ２００８−１０２１２７Ａ）
【公開日】平成２０年５月１日（２００８．５．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３５６５９（Ｐ２００７−２３５６５９）
【出願日】平成１９年９月１１日（２００７．９．１１）
【出願人】（３０４０２１２７７）国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【公開日】平成２０年５月１日（２００８．５．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１１日（２００７．９．１１）
【出願人】（３０４０２１２７７）国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
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