振動試験装置
【課題】
構造物の加振実験を行う振動試験装置において、供試体から受ける特定の周波数成分の反力を補償することで、目標波形信号の再現性を向上させる。
【解決手段】
振動試験装置１は、波形発生装置６、油圧加振機３、供試体２、計測装置５、油圧加振機３の動きを制御する制御装置４を備える。油圧加振機３には供試体２を搭載するテーブル１６、または供試体２を直接接続する。供試体２が特定周波数成分の外力を発生する場合、その周波数成分にゲインの最大値を有する外乱補償フィルタ２０をテーブル１６の加速度信号１８ａに付加する。
構造物の加振実験を行う振動試験装置において、供試体から受ける特定の周波数成分の反力を補償することで、目標波形信号の再現性を向上させる。
【解決手段】
振動試験装置１は、波形発生装置６、油圧加振機３、供試体２、計測装置５、油圧加振機３の動きを制御する制御装置４を備える。油圧加振機３には供試体２を搭載するテーブル１６、または供試体２を直接接続する。供試体２が特定周波数成分の外力を発生する場合、その周波数成分にゲインの最大値を有する外乱補償フィルタ２０をテーブル１６の加速度信号１８ａに付加する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体を加振して試験する振動試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物の耐震性能を評価する手法として、振動台を用いた加振実験が広く行われている。加振実験は、振動台上に試験対象物（以下、供試体）を搭載し、油圧アクチュエータを用いて実際の地震波などの加速度波を模擬するように振動台を動作させ、耐震性能を評価するものである。そのため、振動台、油圧アクチュエータなどを含めた振動試験装置には、地震波などの入力信号の正確な再現性が求められ、それを実現するための各種制御手法が提案されている。
【０００３】
上記振動試験装置において、地震波の再現性を劣化させる要因として供試体の反力が振動試験装置への外乱として作用することが挙げられる。
【０００４】
供試体の反力補償方式としては、特許文献１に開示がある。この公報では、供試体反力を計測し、この反力を相殺する補償信号を生成して制御する例が記載されている。また、その他の方式として、特許文献２に開示がある。この公報では、振動台のフィードバック制御装置内に精度の良い外乱推定補償装置を付加する例が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ９７／１１３４４号公報
【特許文献２】特開２００６−９０７６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記、ＷＯ９７／１１３４４号公報では、一般の振動台には具備されていない反力を計測するための新たなセンサを付加する必要がある。
【０００７】
また、上記特開２００６−９０７６１号公報では、観測可能な状態量を用いて外乱推定精度を高める外乱推定補償装置を付加することで、外乱抑圧性能の向上を図っているが、外乱推定補償装置にはセンサノイズの低減や微分動作を回避するためのローパスフィルタを付加する必要があるため、精度良く外乱を補償できる周波数帯域は低周波部分のみに限定される。また、一般に外乱推定補償装置の外乱抑圧性能は−３０ｄＢ程度であり、その目的はある周波数範囲（例えば１〜１０Ｈｚ程度）内の外乱抑圧性能の向上に着目したものである。そのため、ある特定の周波数成分のみを持つ大きな反力が振動台に加わった場合には、十分な外乱抑圧性能を確保できない虞がある。
【０００８】
上記何れの反力補償方式も、試験対象物の崩壊過程や土槽などのように供試体の反力が時々刻々と変化する場合を想定しており、ある特定の大きな周波数成分を持つ反力が振動台に作用する場合については十分考慮されていない。ここで、ある特定の周波数成分を持つ反力を発生する供試体としては、例えばモータやタービンなどの回転体を含む構造物がある。これらは主に駆動周波数に起因した振動により供試体自体が常に発生している反力として振動台に作用し、地震波の再現性を劣化させる。
【０００９】
上記問題点を鑑み、本発明は、ある特定の周波数成分を持つ反力を発生する供試体の振動試験を行う際に、反力を推定するためのセンサを新たに付加する必要が無く、かつある特定の周波数成分の外乱抑圧性能を向上させる補償装置を付加するのみで、特定周波数の反力を補償し地震波の再現性を向上させることができる振動試験装置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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、供試体を搭載するテーブルと、前記供試体または前記テーブルを加振する油圧加振機と、前記油圧加振機または前記テーブルまたは前記供試体の動作状態を計測する計測装置と、前記供試体または前記テーブルで再現すべき目標波形信号を生成する波形発生装置と、前記油圧加振機の動作を制御するための制御装置を備えた振動試験装置において、前記油圧加振機は、作動油を供給するための油圧源と、電気信号により前記作動油のシリンダへの供給量を調整するサーボ弁と、継手を介して前記供試体または前記テーブルへ動力を伝達する軸と、前記作動油の圧力を受けるピストンとを具備し、前記計測装置は、前記軸の変位と、前記供試体または前記テーブルの加速度と、前記ピストンで仕切られた前記シリンダ内の作動油の圧力差とを検出するセンサおよび計測器を具備し、前記制御装置は、前記変位と前記加速度と前記差圧の検出信号と、前記目標波形から前記サーボ弁への電気信号を生成するものであって、前記制御装置内に前記供試体から受ける反力を抑制する反力補償手段を有することを特徴とする振動試験装置。
【００１１】
前記反力補償手段は前記加速度の検出信号を入力とするフィルタであって、前記フィルタのゲイン特性は凸形状を示し、前記供試体から受ける反力の周波数にゲインが最大値となる周波数特性を有し、前記フィルタの分子、分母の角周波数の差が２×π×０［ｒａｄ／ｓ］から２×π×１０［ｒａｄ／ｓ］の間とする。
【００１２】
また、前記供試体が回転体を有する場合、前記回転体の駆動周波数を検出し、その検出信号を基に前記フィルタの角周波数を決定し、前記駆動周波数が変動した場合、その変動に合わせて前記フィルタの角周波数を更新させる。
【００１３】
また、前記回転体の駆動周波数を、前記供試体または前記テーブルでの前記目標波形信号の理想信号と前記供試体または前記テーブルでの前記目標波形信号の実信号との誤差を基に推定し、前記推定値を前記フィルタの角周波数とする。
【００１４】
前記理想信号は、前記振動試験装置の数値モデルにより計算された信号、若しくは、前記供試体が回転しないときに加振した、前記供試体または前記テーブルでの実信号とする。
【００１５】
前記目標波形信号を入力とした、第一のフィードフォワード補償器と第二のフィードフォワード補償器と前記反力補償手段と同一のフィルタの出力信号を前記制御装置に加算する。
【００１６】
また、前記第一のフィードフォワード補償器と前記第二のフィードフォワード補償器は、それぞれの補償器の分子は、制御対象である前記サーボ弁と前記油圧加振機と前記テーブルと前記供試体の伝達関数の分子、分母であり、それぞれの補償器の分母は、前記制御対象における分子と分母の相対次数以上の次数となるローパスフィルタとする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、振動試験装置において特定の周波数成分の外乱抑圧特性を向上させることが可能となる。そのため、ある特定の周波数成分を有する大きな反力を発生する供試体に対しても、地震波を忠実に振動台で再現することができるため、正確な振動試験を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施例について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は従来から用いられている振動試験装置１の１軸方向のみを表した基本システム図である。振動試験装置１は、供試体２を搭載するテーブル１６と、テーブル１６を介して供試体２を加振する油圧加振機３と、この油圧加振機３を制御する制御装置４と、油圧加振機３ならびにテーブル１６の動作状態を計測する計測装置５を有する。制御装置４には、波形発生装置６が生成した地震加速度波形などの目標波形信号７が入力される。油圧加振機３のほぼ中央部には、受圧用のピストン３ａを取り付けた軸３ｂがシリンダ３ｃを貫通しており、一方の貫通側は継手８に取り付けられている。軸３ｂの他端側には、油圧加振機３の変位を検出する変位センサ９が取り付けられている。
【００２０】
シリンダ３ｃ内には作動油が充満されており、ピストン３ａにより仕切られたシリンダ３ｃ内の２つの空間３ｄ、３ｅのそれぞれに対応して、作動油の圧力を検出する圧力センサ１０ａ、１０ｂが設けられている。シリンダ３ｃの側部には、サーボ弁１１が取り付けられており、２つの空間３ｄ、３ｅへの供給油圧を制御する。各圧力センサ１０ａ、１０ｂが検出した圧力信号１２ａ、１２ｂは、計測装置５が有する圧力検出器１３に入力される。同様に変位センサ９が検出した変位信号１４は、計測装置５が有する変位計１５に、テーブル１６に取り付けられた加速度センサ１７が検出した加速度信号１８は加速度計１９に入力される。圧力検出器１３では、シリンダ３ｃの２つの空間３ｄ、３ｅの圧力差を求める。
【００２１】
上記構成の振動試験装置１の動作を以下に説明する。波形発生装置６が、制御装置４にテーブル１６で再現する目標波形信号７を入力する。制御装置４に入力された目標波形信号７は減算器２１に送られる。計測装置５の変位計１５の出力信号１４ａ、圧力検出器１３の出力信号１２ｃ、加速度計１９の出力信号１８ａ、加速度計１９の出力信号１８ａを積分器２２に入力して得られた速度信号２３は、それぞれ変位フィードバックゲイン２４ａ、差圧フィードバックゲイン２４ｂ、加速度フィードバックゲイン２４ｃ、速度フィードバックゲイン２４ｄを乗じた後、減算器２１に送られ、目標波形信号７に対して減算される。上記制御装置４での各演算処理は、例えばディジタルシグナルプロセッサーなどの高速演算処理装置により実現される。
【００２２】
減算器２１の出力信号２１ａは、サーボアンプ２５に入力される。サーボアンプ２５で出力信号２１ａが増幅されて、サーボ弁１１への指令信号１１ａが生成される。サーボ弁１１に指令信号１１ａが入力されると、図示しない油圧源から作動油が供給され、それに伴い油圧加振機３の軸３ｂが紙面左右方向に駆動され、軸３ｂに取り付けた継手８、テーブル１６を介して供試体２を加振する。このとき、供試体２が加振されることでテーブル１６に反力が加わる。この反力は、テーブル１６若しくは振動試験装置１への外乱となる。この外乱は、前述した各フィードバック信号を用いたフィードバック制御系の有する外乱抑圧性能により、その影響を十分に抑圧する。若しくは、従来から提案されている外乱推定補償装置などを用いることで影響を抑えることができる。なお、図１に示す振動試験装置１には、図示はしていないが加速度計１９の出力信号１８ａ、圧力検出器１３の出力信号１２ｃのそれぞれには直流成分および観測ノイズを除去するためのフィルタが具備されている。
【００２３】
ここで、供試体２が、例えばモータやタービンなどの動的な要素を含む場合、加振の有無に係わらず、駆動周波数などに起因したある特定の周波数の反力がテーブル１６に加わる。この反力は、先の説明の通り、テーブル１６若しくは振動試験装置１への特定周波数外乱２６となる。以下に、この特定周波数外乱２６を抑圧するための方法を説明する。
【００２４】
まず、図２を用いて本発明の外乱抑圧手法の基本概念を説明する。図２は一般的なフィードバック制御系のブロック線図であり、目標値２８に対し制御対象２９（伝達特性をＰ（ｓ）とする）の出力３０が一致するようにフィードバック補償器２７（伝達特性をＣ（ｓ）とする）を設計して動作させる構成である。このフィードバック制御系に外乱３１が作用した場合を考える。図２において、外乱３１から出力３０までの特性は式（数１）となる。
【００２５】
【数１】
即ち、フィードバック制御系の一巡伝達関数Ｃ（ｓ）Ｐ（ｓ）のゲインを０［ｄＢ］以上にすることで、外乱３１の影響を抑えることができる。外乱３１が上述の特定周波数外乱２６（周波数をωｄ［ｒａｄ／ｓ］とする）である場合には、フィードバック制御系の一巡伝達関数Ｃ（ｓ）Ｐ（ｓ）において、周波数ωｄでゲインが０［ｄＢ］以上になるようにフィードバック補償器２７を構成するか、新たに補償器を付加すれば良い。更に言えば、周波数ωｄでゲインが無限大に近づくほど、大きな外乱抑圧効果が得られるので、式（数２）で示される外乱補償フィルタ２０を一巡伝達関数Ｃ（ｓ）Ｐ（ｓ）に直列に付加することが好ましい。
【００２６】
【数２】
上記基本概念を基に設計した外乱補償フィルタ２０（反力補償手段）を付加した振動試験装置１のブロック線図を図３に示す。なお、図１と同一の機能を有するものに対しては同一の番号を付記し、計測装置５、波形発生装置６は省略している。供試体２が発生する特定周波数外乱２６は油圧加振機３とテーブル１６の間に作用するものと考えられる。この振動試験装置のフィードバック制御系に対して、特定周波数外乱２６が加わった後のテーブルを動作させる推力３２で切断した一巡伝達関数を考えた場合、外乱補償フィルタ２０を加速度信号１８ａに対して付加することが好ましい。
【００２７】
そして、特定周波数外乱２６と同一の周波数において、ゲインが無限大に近づくように外乱補償フィルタ２０を設計することで、特定周波数に対して大きな外乱抑圧性能が得られる。その一例を図４、図５に示す。このときの特定周波数外乱２６は１０Ｈｚと仮定している。図４は外乱補償フィルタ２０の周波数特性であり、１０Ｈｚでゲインが無限大に近づくように鋭いピーク（凸形状）を有している。
【００２８】
図５は図４の外乱補償フィルタ２０を付加した振動試験装置１の外乱抑圧特性である。点線は外乱補償フィルタ２０を付加していない振動試験装置１の外乱抑圧特性を示している。外乱補償フィルタ２０を付加することで、所望の周波数（ここでは１０Ｈｚ）の外乱抑圧特性を大幅に向上させることが可能である。ただし、図５の外乱抑圧特性を見ると、抑圧したい周波数より低い周波数（９．５Ｈｚ）で外乱抑圧性能が劣化する場合もある。この問題を解決するための例を以下に説明する。
【００２９】
特定周波数外乱２６の周波数ωｄが２×π×７[ｒａｄ／ｓ]以下の時、外乱補償フィルタ２０の伝達関数を式（数３）とする。
【００３０】
【数３】
また、特定周波数外乱２６の周波数ωｄが２×π×７[ｒａｄ／ｓ]以上の時、外乱補償フィルタ２０の伝達関数を式（数４）とする。
【００３１】
【数４】
上述した外乱補償フィルタ２０を適用した時の外乱抑圧特性を図６に示す。この時の特定周波数外乱２６の周波数は１０Ｈｚである。周波数が１０Ｈｚであるので、外乱補償フィルタ２０は数４の伝達関数であり、図６から、図５と比べて抑圧したい周波数より低い周波数（９．５Ｈｚ）での外乱抑圧特性が向上していることが確認できる。上記、式（数３）及び式（数４）の場合分けは具体例の一つであり、所望の外乱抑圧特性が得られるように、外乱補償フィルタ２０の係数ωｄｄとωｄｎの差が０から２×π×１０の間で調整すれば良い。
【００３２】
次に、図７、図８を用いて特定周波数外乱２６が変動した時の例を以下に説明する。供試体２で発生する特定周波数外乱２６は振動試験中に変動することが大いに考えられる。前述のとおり、供試体２が発生する特定周波数外乱２６がモータ（回転体）などの回転に同期した周波数であれば、図７に示すとおりその駆動している周波数信号３３を用いて外乱補償フィルタ２０の伝達関数の係数を逐次変更すれば良い。つまり、外乱補償フィルタ２０の伝達関数が式（数２）であればωｄであり、式（数３）、式（数４）であればωｄによって求められるωｄｎ、ωｄｄである。前記回転体の駆動周波数を検出し、その検出信号を基に前記フィルタの角周波数を決定し、前記駆動周波数が変動した場合、その変動に合わせて前記フィルタの角周波数を更新させる。
【００３３】
また、上記供試体２が発生する特定周波数外乱２６の周波数信号３３が検出できない場合について図８を用いて説明する。振動試験装置モデル３４に目標波形信号７を入力し、テーブル１６の加速度信号予測値（理想信号）３６を演算する。この加速度信号予測値３６と実際のテーブル１６の加速度信号１８ａを同定手段３５に入力する。同定手段３５は、加速度信号予測値３６と実際のテーブル１６の加速度信号１８ａを基にして特定周波数外乱２６の周波数ωｄを同定するものであり、その機能は例えば次のようにして実現される。同定手段３５は次式で与えられる。
【００３４】
【数５】
ｉはサンプリング回数であり、kはある定数もしくは時変ゲインである。式（数５）はあるサンプル時点における同定した周波数ωｄに、加速度信号予測値と加速度信号の誤差にある定数もしくは時変ゲインを乗じたものを加算することで、順次周波数ωｄを更新して真値を求めるものである。式（数５）で求められる周波数ωｄを外乱補償フィルタ２０の伝達関数の係数を逐次更新すれば良い。前記加速度信号予測値（理想信号）３６は、前記振動試験装置の数値モデルにより計算された信号、若しくは、前記供試体が回転しないときに加振した、前記供試体または前記テーブルでの実信号とすることもできる。
【００３５】
上記のような外乱の周波数を推定する手段を用いれば、特定周波数外乱２６の周波数信号３３が検出できない場合においても、その値を推定することで周波数の変動に対しても良好な外乱抑圧特性を得ることができる。以上、振動試験装置１に供試体２が発生する特定周波数外乱２６が作用する場合における、特定周波数外乱２６の抑圧手段について述べた。以下、この手段と併用して、振動試験装置１の目標波形信号７の再現性を向上させる手段について述べる。
【００３６】
図９は、図３、若しくは図７、若しくは図８の外乱補償フィルタ２０を付加した振動試験装置１に、目標波形信号７の再現性を向上させる第一、第二のフィードフォワード補償器３７、３８を付加したブロック線図である。
【００３７】
制御対象であるサーボアンプ２５（サーボ弁）、油圧加振機３とテーブル１６（供試体２の質量を含む）を含めた伝達関数を次式（数６）で表現する。
【００３８】
【数６】
Ｎ（ｓ）は分子多項式、Ｄ（ｓ）は分母多項式である。
【００３９】
第一のフィードフォワード補償器３７（式（数７））、第二のフィードフォワード補償器３８（式（数８））の伝達関数はそれぞれ次式で表現する。
【００４０】
【数７】
【００４１】
【数８】
数７の分子は数６の分子であり、数８の分子は数６の分母である。また、数７と数８の分母であるＦ（ｓ）は、Ｄ（ｓ）（数６の分母）またはＮ（ｓ）（数６の分子）の最大次数以上の次数を有するローパスフィルタであり、目標値応答を決定するものである。例えば、５０Ｈｚまでの目標値追従特性を満足したい場合には、１／Ｆ（ｓ）の特性が５０Ｈｚまでの通過帯域（ゲインが０ｄＢ）を持つように１／Ｆ（ｓ）の遮断周波数を設定すればよい。
【００４２】
ここで、外乱補償フィルタ２０を付加することによって振動試験装置１の目標値追従特性（目標波形信号７からテーブル１６の応答）が、その特定周波数２６で大幅に劣化する場合がある。その場合、同じ伝達関数の外乱補償フィルタ２０をフィードフォワード補償器として付加し、目標波形信号７を入力として、その出力である外乱補償フィードフォワード信号２１ｂを制御装置４に入力すれば良い。この外乱補償フィードフォワード信号２１ｂは、図１０に示すとおり、制御装置４内で外乱補償フィルタ２０を通ったフィードバック加速度信号１８ｂを減算する前段の信号に対し加算する。
【００４３】
上記手段を適用した振動試験装置１の目標値追従特性を図１１、図１２に示す。図１１は外乱補償フィルタ２０のみを付加した振動試験装置１の目標値追従特性（図６の外乱抑圧特性を有する振動試験装置１と同一パラメータ）を示している。この場合、外乱補償フィルタ２０に相当する周波数ωｄで目標値追従特性が大幅に劣化している。これに対し、図１２は上述のフィードフォワード補償器３７、３８を付加したものであり図１１に比べ、周波数ωｄで目標値追従特性が改善できていることがわかる。即ち、特定周波数外乱２６の影響を抑制しつつ目標波形信号７の再現性を向上させることが可能となる。
【００４４】
上記フィードフォワード補償器は、制御対象であるサーボアンプ２５、油圧加振機３とテーブル１６（供試体２の質量を含む）を含めた伝達関数が必要となるが、目標値追従特性を改善する別の方式としては、図１３に示す第三のフィードフォワード補償器３９を付加する形態としても良い。第三のフィードフォワード補償器３９のブロック線図を図１４に示す。第三のフィードフォワード補償器３９は、目標波形信号７を二階積分するとともに、加速度積分ゲインＡＩと速度積分ゲインＶＩにより目標値追従特性をフィードバック補償器とは独立に整形できる。前記第三のフィードフォワード補償器３９は、前記目標波形信号の一回積分値および二回積分値に相当する信号を算出し、加速度、速度、および変位に相当する３種の信号情報を制御系の特性が一次遅れ要素と等価になるような比率で出力することで、新たな目標波形信号を生成する。第三のフィードフォワード補償器３９の伝達関数は次式で表現する。
【００４５】
【数９】
この第三のフィードフォワード補償器３９を用いれば、制御対象の伝達関数を求める必要はない。また、外乱補償フィルタ２０を付加することによって劣化する特性に関しては、図９と同様に、目標信号７に外乱補償フィルタ２０を通した外乱補償フィードフォワード信号２１ｂを制御装置４に入力すれば良い。
【００４６】
以上、振動試験装置１において供試体２から特定周波数外乱２６を受ける場合の、外乱抑圧手段、および地震波再現性向上の手段について述べた。そこでは、供試体２がモータなどの動的な要素を含む場合を想定したが、本発明はそのような供試体２に限定されるものではなく、例えば構造物自体の有する固有振動数が励起され、大きな反力を振動試験装置１が受け続けるような振動試験を行う際にも利用できる。
【００４７】
また、上記実施例では供試体２をテーブル１６上に搭載し、加振実験を行う構成としているが、供試体２を継手８若しくは油圧加振機３の軸３ｂに直接連結して加振実験を行う構成としても良いことは言うまでもない。この時、加速度センサ１７は継手８若しくは軸３ｂ若しくは供試体２に直接取り付けることになる。加速度センサが取り付け困難な場合には、変位計１５の出力信号１４ａを二階微分した信号を用いても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、振動試験装置の分野に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明における振動試験装置の基本システム図。
【図２】本発明における外乱抑圧手法の基本概念を示すブロック線図。
【図３】本発明における外乱補償フィルタを付加した振動試験装置のブロック線図。
【図４】本発明における外乱補償フィルタの一例を示す周波数特性図。
【図５】本発明における外乱補償フィルタを付加した一例を示す振動試験装置の外乱抑圧特性図。
【図６】本発明における別の外乱補償フィルタを付加した一例を示す振動試験装置の外乱抑圧特性図。
【図７】本発明における周波数変動型の外乱補償フィルタを付加した振動試験装置のブロック線図。
【図８】本発明における適応型の外乱補償フィルタを付加した振動試験装置のブロック線図。
【図９】本発明におけるフィードフォワード補償器を付加した振動試験装置のブロック線図。
【図１０】本発明における制御装置内の信号処理手順を示す図。
【図１１】本発明における外乱補償フィルタのみを付加した振動試験装置の目標値追従特性図。
【図１２】本発明における外乱補償フィルタとフィードフォワード補償器を付加した振動試験装置の目標値追従特性図。
【図１３】本発明における外乱補償フィルタと第三のフィードフォワード補償器を付加した振動試験装置の目標値追従特性図。
【図１４】本発明における第三のフィードフォワード補償器のブロック線図。
【符号の説明】
【００５０】
１…振動試験装置、２…供試体、３…油圧加振機、４…制御装置、５…計測装置、６…波形発生装置、７…目標波形信号、８…継手、９…変位センサ、１０…圧力センサ、１１…サーボ弁、１２…圧力信号、１３…圧力検出器、１４…変位信号、１５…変位計、１６…テーブル、１７…加速度センサ、１８…加速度信号、１９…加速度計、２０…外乱補償フィルタ、２１…減算器、２２…積分器、２３…速度信号、２４…フィードバックゲイン、２５…サーボアンプ、２６…特定周波数外乱、２７…フィードバック補償器、２８…目標値、２９…制御対象、３０…出力、３１…外乱、３２…推力、３３…周波数信号、３４…振動試験装置モデル、３５…同定手段、３６…加速度信号予測値、３７…第一のフィードフォワード補償器、３８…第二のフィードフォワード補償器、３９…第三のフィードフォワード補償器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体を加振して試験する振動試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物の耐震性能を評価する手法として、振動台を用いた加振実験が広く行われている。加振実験は、振動台上に試験対象物（以下、供試体）を搭載し、油圧アクチュエータを用いて実際の地震波などの加速度波を模擬するように振動台を動作させ、耐震性能を評価するものである。そのため、振動台、油圧アクチュエータなどを含めた振動試験装置には、地震波などの入力信号の正確な再現性が求められ、それを実現するための各種制御手法が提案されている。
【０００３】
上記振動試験装置において、地震波の再現性を劣化させる要因として供試体の反力が振動試験装置への外乱として作用することが挙げられる。
【０００４】
供試体の反力補償方式としては、特許文献１に開示がある。この公報では、供試体反力を計測し、この反力を相殺する補償信号を生成して制御する例が記載されている。また、その他の方式として、特許文献２に開示がある。この公報では、振動台のフィードバック制御装置内に精度の良い外乱推定補償装置を付加する例が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ９７／１１３４４号公報
【特許文献２】特開２００６−９０７６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記、ＷＯ９７／１１３４４号公報では、一般の振動台には具備されていない反力を計測するための新たなセンサを付加する必要がある。
【０００７】
また、上記特開２００６−９０７６１号公報では、観測可能な状態量を用いて外乱推定精度を高める外乱推定補償装置を付加することで、外乱抑圧性能の向上を図っているが、外乱推定補償装置にはセンサノイズの低減や微分動作を回避するためのローパスフィルタを付加する必要があるため、精度良く外乱を補償できる周波数帯域は低周波部分のみに限定される。また、一般に外乱推定補償装置の外乱抑圧性能は−３０ｄＢ程度であり、その目的はある周波数範囲（例えば１〜１０Ｈｚ程度）内の外乱抑圧性能の向上に着目したものである。そのため、ある特定の周波数成分のみを持つ大きな反力が振動台に加わった場合には、十分な外乱抑圧性能を確保できない虞がある。
【０００８】
上記何れの反力補償方式も、試験対象物の崩壊過程や土槽などのように供試体の反力が時々刻々と変化する場合を想定しており、ある特定の大きな周波数成分を持つ反力が振動台に作用する場合については十分考慮されていない。ここで、ある特定の周波数成分を持つ反力を発生する供試体としては、例えばモータやタービンなどの回転体を含む構造物がある。これらは主に駆動周波数に起因した振動により供試体自体が常に発生している反力として振動台に作用し、地震波の再現性を劣化させる。
【０００９】
上記問題点を鑑み、本発明は、ある特定の周波数成分を持つ反力を発生する供試体の振動試験を行う際に、反力を推定するためのセンサを新たに付加する必要が無く、かつある特定の周波数成分の外乱抑圧性能を向上させる補償装置を付加するのみで、特定周波数の反力を補償し地震波の再現性を向上させることができる振動試験装置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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、供試体を搭載するテーブルと、前記供試体または前記テーブルを加振する油圧加振機と、前記油圧加振機または前記テーブルまたは前記供試体の動作状態を計測する計測装置と、前記供試体または前記テーブルで再現すべき目標波形信号を生成する波形発生装置と、前記油圧加振機の動作を制御するための制御装置を備えた振動試験装置において、前記油圧加振機は、作動油を供給するための油圧源と、電気信号により前記作動油のシリンダへの供給量を調整するサーボ弁と、継手を介して前記供試体または前記テーブルへ動力を伝達する軸と、前記作動油の圧力を受けるピストンとを具備し、前記計測装置は、前記軸の変位と、前記供試体または前記テーブルの加速度と、前記ピストンで仕切られた前記シリンダ内の作動油の圧力差とを検出するセンサおよび計測器を具備し、前記制御装置は、前記変位と前記加速度と前記差圧の検出信号と、前記目標波形から前記サーボ弁への電気信号を生成するものであって、前記制御装置内に前記供試体から受ける反力を抑制する反力補償手段を有することを特徴とする振動試験装置。
【００１１】
前記反力補償手段は前記加速度の検出信号を入力とするフィルタであって、前記フィルタのゲイン特性は凸形状を示し、前記供試体から受ける反力の周波数にゲインが最大値となる周波数特性を有し、前記フィルタの分子、分母の角周波数の差が２×π×０［ｒａｄ／ｓ］から２×π×１０［ｒａｄ／ｓ］の間とする。
【００１２】
また、前記供試体が回転体を有する場合、前記回転体の駆動周波数を検出し、その検出信号を基に前記フィルタの角周波数を決定し、前記駆動周波数が変動した場合、その変動に合わせて前記フィルタの角周波数を更新させる。
【００１３】
また、前記回転体の駆動周波数を、前記供試体または前記テーブルでの前記目標波形信号の理想信号と前記供試体または前記テーブルでの前記目標波形信号の実信号との誤差を基に推定し、前記推定値を前記フィルタの角周波数とする。
【００１４】
前記理想信号は、前記振動試験装置の数値モデルにより計算された信号、若しくは、前記供試体が回転しないときに加振した、前記供試体または前記テーブルでの実信号とする。
【００１５】
前記目標波形信号を入力とした、第一のフィードフォワード補償器と第二のフィードフォワード補償器と前記反力補償手段と同一のフィルタの出力信号を前記制御装置に加算する。
【００１６】
また、前記第一のフィードフォワード補償器と前記第二のフィードフォワード補償器は、それぞれの補償器の分子は、制御対象である前記サーボ弁と前記油圧加振機と前記テーブルと前記供試体の伝達関数の分子、分母であり、それぞれの補償器の分母は、前記制御対象における分子と分母の相対次数以上の次数となるローパスフィルタとする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、振動試験装置において特定の周波数成分の外乱抑圧特性を向上させることが可能となる。そのため、ある特定の周波数成分を有する大きな反力を発生する供試体に対しても、地震波を忠実に振動台で再現することができるため、正確な振動試験を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施例について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は従来から用いられている振動試験装置１の１軸方向のみを表した基本システム図である。振動試験装置１は、供試体２を搭載するテーブル１６と、テーブル１６を介して供試体２を加振する油圧加振機３と、この油圧加振機３を制御する制御装置４と、油圧加振機３ならびにテーブル１６の動作状態を計測する計測装置５を有する。制御装置４には、波形発生装置６が生成した地震加速度波形などの目標波形信号７が入力される。油圧加振機３のほぼ中央部には、受圧用のピストン３ａを取り付けた軸３ｂがシリンダ３ｃを貫通しており、一方の貫通側は継手８に取り付けられている。軸３ｂの他端側には、油圧加振機３の変位を検出する変位センサ９が取り付けられている。
【００２０】
シリンダ３ｃ内には作動油が充満されており、ピストン３ａにより仕切られたシリンダ３ｃ内の２つの空間３ｄ、３ｅのそれぞれに対応して、作動油の圧力を検出する圧力センサ１０ａ、１０ｂが設けられている。シリンダ３ｃの側部には、サーボ弁１１が取り付けられており、２つの空間３ｄ、３ｅへの供給油圧を制御する。各圧力センサ１０ａ、１０ｂが検出した圧力信号１２ａ、１２ｂは、計測装置５が有する圧力検出器１３に入力される。同様に変位センサ９が検出した変位信号１４は、計測装置５が有する変位計１５に、テーブル１６に取り付けられた加速度センサ１７が検出した加速度信号１８は加速度計１９に入力される。圧力検出器１３では、シリンダ３ｃの２つの空間３ｄ、３ｅの圧力差を求める。
【００２１】
上記構成の振動試験装置１の動作を以下に説明する。波形発生装置６が、制御装置４にテーブル１６で再現する目標波形信号７を入力する。制御装置４に入力された目標波形信号７は減算器２１に送られる。計測装置５の変位計１５の出力信号１４ａ、圧力検出器１３の出力信号１２ｃ、加速度計１９の出力信号１８ａ、加速度計１９の出力信号１８ａを積分器２２に入力して得られた速度信号２３は、それぞれ変位フィードバックゲイン２４ａ、差圧フィードバックゲイン２４ｂ、加速度フィードバックゲイン２４ｃ、速度フィードバックゲイン２４ｄを乗じた後、減算器２１に送られ、目標波形信号７に対して減算される。上記制御装置４での各演算処理は、例えばディジタルシグナルプロセッサーなどの高速演算処理装置により実現される。
【００２２】
減算器２１の出力信号２１ａは、サーボアンプ２５に入力される。サーボアンプ２５で出力信号２１ａが増幅されて、サーボ弁１１への指令信号１１ａが生成される。サーボ弁１１に指令信号１１ａが入力されると、図示しない油圧源から作動油が供給され、それに伴い油圧加振機３の軸３ｂが紙面左右方向に駆動され、軸３ｂに取り付けた継手８、テーブル１６を介して供試体２を加振する。このとき、供試体２が加振されることでテーブル１６に反力が加わる。この反力は、テーブル１６若しくは振動試験装置１への外乱となる。この外乱は、前述した各フィードバック信号を用いたフィードバック制御系の有する外乱抑圧性能により、その影響を十分に抑圧する。若しくは、従来から提案されている外乱推定補償装置などを用いることで影響を抑えることができる。なお、図１に示す振動試験装置１には、図示はしていないが加速度計１９の出力信号１８ａ、圧力検出器１３の出力信号１２ｃのそれぞれには直流成分および観測ノイズを除去するためのフィルタが具備されている。
【００２３】
ここで、供試体２が、例えばモータやタービンなどの動的な要素を含む場合、加振の有無に係わらず、駆動周波数などに起因したある特定の周波数の反力がテーブル１６に加わる。この反力は、先の説明の通り、テーブル１６若しくは振動試験装置１への特定周波数外乱２６となる。以下に、この特定周波数外乱２６を抑圧するための方法を説明する。
【００２４】
まず、図２を用いて本発明の外乱抑圧手法の基本概念を説明する。図２は一般的なフィードバック制御系のブロック線図であり、目標値２８に対し制御対象２９（伝達特性をＰ（ｓ）とする）の出力３０が一致するようにフィードバック補償器２７（伝達特性をＣ（ｓ）とする）を設計して動作させる構成である。このフィードバック制御系に外乱３１が作用した場合を考える。図２において、外乱３１から出力３０までの特性は式（数１）となる。
【００２５】
【数１】
即ち、フィードバック制御系の一巡伝達関数Ｃ（ｓ）Ｐ（ｓ）のゲインを０［ｄＢ］以上にすることで、外乱３１の影響を抑えることができる。外乱３１が上述の特定周波数外乱２６（周波数をωｄ［ｒａｄ／ｓ］とする）である場合には、フィードバック制御系の一巡伝達関数Ｃ（ｓ）Ｐ（ｓ）において、周波数ωｄでゲインが０［ｄＢ］以上になるようにフィードバック補償器２７を構成するか、新たに補償器を付加すれば良い。更に言えば、周波数ωｄでゲインが無限大に近づくほど、大きな外乱抑圧効果が得られるので、式（数２）で示される外乱補償フィルタ２０を一巡伝達関数Ｃ（ｓ）Ｐ（ｓ）に直列に付加することが好ましい。
【００２６】
【数２】
上記基本概念を基に設計した外乱補償フィルタ２０（反力補償手段）を付加した振動試験装置１のブロック線図を図３に示す。なお、図１と同一の機能を有するものに対しては同一の番号を付記し、計測装置５、波形発生装置６は省略している。供試体２が発生する特定周波数外乱２６は油圧加振機３とテーブル１６の間に作用するものと考えられる。この振動試験装置のフィードバック制御系に対して、特定周波数外乱２６が加わった後のテーブルを動作させる推力３２で切断した一巡伝達関数を考えた場合、外乱補償フィルタ２０を加速度信号１８ａに対して付加することが好ましい。
【００２７】
そして、特定周波数外乱２６と同一の周波数において、ゲインが無限大に近づくように外乱補償フィルタ２０を設計することで、特定周波数に対して大きな外乱抑圧性能が得られる。その一例を図４、図５に示す。このときの特定周波数外乱２６は１０Ｈｚと仮定している。図４は外乱補償フィルタ２０の周波数特性であり、１０Ｈｚでゲインが無限大に近づくように鋭いピーク（凸形状）を有している。
【００２８】
図５は図４の外乱補償フィルタ２０を付加した振動試験装置１の外乱抑圧特性である。点線は外乱補償フィルタ２０を付加していない振動試験装置１の外乱抑圧特性を示している。外乱補償フィルタ２０を付加することで、所望の周波数（ここでは１０Ｈｚ）の外乱抑圧特性を大幅に向上させることが可能である。ただし、図５の外乱抑圧特性を見ると、抑圧したい周波数より低い周波数（９．５Ｈｚ）で外乱抑圧性能が劣化する場合もある。この問題を解決するための例を以下に説明する。
【００２９】
特定周波数外乱２６の周波数ωｄが２×π×７[ｒａｄ／ｓ]以下の時、外乱補償フィルタ２０の伝達関数を式（数３）とする。
【００３０】
【数３】
また、特定周波数外乱２６の周波数ωｄが２×π×７[ｒａｄ／ｓ]以上の時、外乱補償フィルタ２０の伝達関数を式（数４）とする。
【００３１】
【数４】
上述した外乱補償フィルタ２０を適用した時の外乱抑圧特性を図６に示す。この時の特定周波数外乱２６の周波数は１０Ｈｚである。周波数が１０Ｈｚであるので、外乱補償フィルタ２０は数４の伝達関数であり、図６から、図５と比べて抑圧したい周波数より低い周波数（９．５Ｈｚ）での外乱抑圧特性が向上していることが確認できる。上記、式（数３）及び式（数４）の場合分けは具体例の一つであり、所望の外乱抑圧特性が得られるように、外乱補償フィルタ２０の係数ωｄｄとωｄｎの差が０から２×π×１０の間で調整すれば良い。
【００３２】
次に、図７、図８を用いて特定周波数外乱２６が変動した時の例を以下に説明する。供試体２で発生する特定周波数外乱２６は振動試験中に変動することが大いに考えられる。前述のとおり、供試体２が発生する特定周波数外乱２６がモータ（回転体）などの回転に同期した周波数であれば、図７に示すとおりその駆動している周波数信号３３を用いて外乱補償フィルタ２０の伝達関数の係数を逐次変更すれば良い。つまり、外乱補償フィルタ２０の伝達関数が式（数２）であればωｄであり、式（数３）、式（数４）であればωｄによって求められるωｄｎ、ωｄｄである。前記回転体の駆動周波数を検出し、その検出信号を基に前記フィルタの角周波数を決定し、前記駆動周波数が変動した場合、その変動に合わせて前記フィルタの角周波数を更新させる。
【００３３】
また、上記供試体２が発生する特定周波数外乱２６の周波数信号３３が検出できない場合について図８を用いて説明する。振動試験装置モデル３４に目標波形信号７を入力し、テーブル１６の加速度信号予測値（理想信号）３６を演算する。この加速度信号予測値３６と実際のテーブル１６の加速度信号１８ａを同定手段３５に入力する。同定手段３５は、加速度信号予測値３６と実際のテーブル１６の加速度信号１８ａを基にして特定周波数外乱２６の周波数ωｄを同定するものであり、その機能は例えば次のようにして実現される。同定手段３５は次式で与えられる。
【００３４】
【数５】
ｉはサンプリング回数であり、kはある定数もしくは時変ゲインである。式（数５）はあるサンプル時点における同定した周波数ωｄに、加速度信号予測値と加速度信号の誤差にある定数もしくは時変ゲインを乗じたものを加算することで、順次周波数ωｄを更新して真値を求めるものである。式（数５）で求められる周波数ωｄを外乱補償フィルタ２０の伝達関数の係数を逐次更新すれば良い。前記加速度信号予測値（理想信号）３６は、前記振動試験装置の数値モデルにより計算された信号、若しくは、前記供試体が回転しないときに加振した、前記供試体または前記テーブルでの実信号とすることもできる。
【００３５】
上記のような外乱の周波数を推定する手段を用いれば、特定周波数外乱２６の周波数信号３３が検出できない場合においても、その値を推定することで周波数の変動に対しても良好な外乱抑圧特性を得ることができる。以上、振動試験装置１に供試体２が発生する特定周波数外乱２６が作用する場合における、特定周波数外乱２６の抑圧手段について述べた。以下、この手段と併用して、振動試験装置１の目標波形信号７の再現性を向上させる手段について述べる。
【００３６】
図９は、図３、若しくは図７、若しくは図８の外乱補償フィルタ２０を付加した振動試験装置１に、目標波形信号７の再現性を向上させる第一、第二のフィードフォワード補償器３７、３８を付加したブロック線図である。
【００３７】
制御対象であるサーボアンプ２５（サーボ弁）、油圧加振機３とテーブル１６（供試体２の質量を含む）を含めた伝達関数を次式（数６）で表現する。
【００３８】
【数６】
Ｎ（ｓ）は分子多項式、Ｄ（ｓ）は分母多項式である。
【００３９】
第一のフィードフォワード補償器３７（式（数７））、第二のフィードフォワード補償器３８（式（数８））の伝達関数はそれぞれ次式で表現する。
【００４０】
【数７】
【００４１】
【数８】
数７の分子は数６の分子であり、数８の分子は数６の分母である。また、数７と数８の分母であるＦ（ｓ）は、Ｄ（ｓ）（数６の分母）またはＮ（ｓ）（数６の分子）の最大次数以上の次数を有するローパスフィルタであり、目標値応答を決定するものである。例えば、５０Ｈｚまでの目標値追従特性を満足したい場合には、１／Ｆ（ｓ）の特性が５０Ｈｚまでの通過帯域（ゲインが０ｄＢ）を持つように１／Ｆ（ｓ）の遮断周波数を設定すればよい。
【００４２】
ここで、外乱補償フィルタ２０を付加することによって振動試験装置１の目標値追従特性（目標波形信号７からテーブル１６の応答）が、その特定周波数２６で大幅に劣化する場合がある。その場合、同じ伝達関数の外乱補償フィルタ２０をフィードフォワード補償器として付加し、目標波形信号７を入力として、その出力である外乱補償フィードフォワード信号２１ｂを制御装置４に入力すれば良い。この外乱補償フィードフォワード信号２１ｂは、図１０に示すとおり、制御装置４内で外乱補償フィルタ２０を通ったフィードバック加速度信号１８ｂを減算する前段の信号に対し加算する。
【００４３】
上記手段を適用した振動試験装置１の目標値追従特性を図１１、図１２に示す。図１１は外乱補償フィルタ２０のみを付加した振動試験装置１の目標値追従特性（図６の外乱抑圧特性を有する振動試験装置１と同一パラメータ）を示している。この場合、外乱補償フィルタ２０に相当する周波数ωｄで目標値追従特性が大幅に劣化している。これに対し、図１２は上述のフィードフォワード補償器３７、３８を付加したものであり図１１に比べ、周波数ωｄで目標値追従特性が改善できていることがわかる。即ち、特定周波数外乱２６の影響を抑制しつつ目標波形信号７の再現性を向上させることが可能となる。
【００４４】
上記フィードフォワード補償器は、制御対象であるサーボアンプ２５、油圧加振機３とテーブル１６（供試体２の質量を含む）を含めた伝達関数が必要となるが、目標値追従特性を改善する別の方式としては、図１３に示す第三のフィードフォワード補償器３９を付加する形態としても良い。第三のフィードフォワード補償器３９のブロック線図を図１４に示す。第三のフィードフォワード補償器３９は、目標波形信号７を二階積分するとともに、加速度積分ゲインＡＩと速度積分ゲインＶＩにより目標値追従特性をフィードバック補償器とは独立に整形できる。前記第三のフィードフォワード補償器３９は、前記目標波形信号の一回積分値および二回積分値に相当する信号を算出し、加速度、速度、および変位に相当する３種の信号情報を制御系の特性が一次遅れ要素と等価になるような比率で出力することで、新たな目標波形信号を生成する。第三のフィードフォワード補償器３９の伝達関数は次式で表現する。
【００４５】
【数９】
この第三のフィードフォワード補償器３９を用いれば、制御対象の伝達関数を求める必要はない。また、外乱補償フィルタ２０を付加することによって劣化する特性に関しては、図９と同様に、目標信号７に外乱補償フィルタ２０を通した外乱補償フィードフォワード信号２１ｂを制御装置４に入力すれば良い。
【００４６】
以上、振動試験装置１において供試体２から特定周波数外乱２６を受ける場合の、外乱抑圧手段、および地震波再現性向上の手段について述べた。そこでは、供試体２がモータなどの動的な要素を含む場合を想定したが、本発明はそのような供試体２に限定されるものではなく、例えば構造物自体の有する固有振動数が励起され、大きな反力を振動試験装置１が受け続けるような振動試験を行う際にも利用できる。
【００４７】
また、上記実施例では供試体２をテーブル１６上に搭載し、加振実験を行う構成としているが、供試体２を継手８若しくは油圧加振機３の軸３ｂに直接連結して加振実験を行う構成としても良いことは言うまでもない。この時、加速度センサ１７は継手８若しくは軸３ｂ若しくは供試体２に直接取り付けることになる。加速度センサが取り付け困難な場合には、変位計１５の出力信号１４ａを二階微分した信号を用いても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、振動試験装置の分野に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明における振動試験装置の基本システム図。
【図２】本発明における外乱抑圧手法の基本概念を示すブロック線図。
【図３】本発明における外乱補償フィルタを付加した振動試験装置のブロック線図。
【図４】本発明における外乱補償フィルタの一例を示す周波数特性図。
【図５】本発明における外乱補償フィルタを付加した一例を示す振動試験装置の外乱抑圧特性図。
【図６】本発明における別の外乱補償フィルタを付加した一例を示す振動試験装置の外乱抑圧特性図。
【図７】本発明における周波数変動型の外乱補償フィルタを付加した振動試験装置のブロック線図。
【図８】本発明における適応型の外乱補償フィルタを付加した振動試験装置のブロック線図。
【図９】本発明におけるフィードフォワード補償器を付加した振動試験装置のブロック線図。
【図１０】本発明における制御装置内の信号処理手順を示す図。
【図１１】本発明における外乱補償フィルタのみを付加した振動試験装置の目標値追従特性図。
【図１２】本発明における外乱補償フィルタとフィードフォワード補償器を付加した振動試験装置の目標値追従特性図。
【図１３】本発明における外乱補償フィルタと第三のフィードフォワード補償器を付加した振動試験装置の目標値追従特性図。
【図１４】本発明における第三のフィードフォワード補償器のブロック線図。
【符号の説明】
【００５０】
１…振動試験装置、２…供試体、３…油圧加振機、４…制御装置、５…計測装置、６…波形発生装置、７…目標波形信号、８…継手、９…変位センサ、１０…圧力センサ、１１…サーボ弁、１２…圧力信号、１３…圧力検出器、１４…変位信号、１５…変位計、１６…テーブル、１７…加速度センサ、１８…加速度信号、１９…加速度計、２０…外乱補償フィルタ、２１…減算器、２２…積分器、２３…速度信号、２４…フィードバックゲイン、２５…サーボアンプ、２６…特定周波数外乱、２７…フィードバック補償器、２８…目標値、２９…制御対象、３０…出力、３１…外乱、３２…推力、３３…周波数信号、３４…振動試験装置モデル、３５…同定手段、３６…加速度信号予測値、３７…第一のフィードフォワード補償器、３８…第二のフィードフォワード補償器、３９…第三のフィードフォワード補償器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供試体を搭載するテーブルと、前記供試体または前記テーブルを加振する油圧加振機と、前記油圧加振機または前記テーブルまたは前記供試体の動作状態を計測する計測装置と、前記供試体または前記テーブルで再現すべき目標波形信号を生成する波形発生装置と、前記油圧加振機の動作を制御するための制御装置を備えた振動試験装置において、
前記油圧加振機は、作動油を供給するための油圧源と、電気信号により前記作動油のシリンダへの供給量を調整するサーボ弁と、継手を介して前記供試体または前記テーブルへ動力を伝達する軸と、前記作動油の圧力を受けるピストンとを具備し、前記計測装置は、前記軸の変位と、前記供試体または前記テーブルの加速度と、前記ピストンで仕切られた前記シリンダ内の作動油の圧力差とを検出するセンサおよび計測器を具備し、前記制御装置は、前記変位と前記加速度と前記差圧の検出信号と、前記目標波形から前記サーボ弁への電気信号を生成するものであって、前記制御装置内に前記供試体から受ける反力を抑制する反力補償手段を有することを特徴とする振動試験装置。
【請求項２】
請求項１に記載の振動試験装置において、前記反力補償手段は前記テーブル、前記供試体、前記ピストン、何れかの加速度の検出信号を入力とするフィルタであって、前記フィルタのゲイン特性は凸形状を示し、前記供試体から受ける反力の周波数にゲインが最大値となる周波数特性を有することを特徴とする振動試験装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の振動試験装置において、前記フィルタの分子、分母の角周波数の差が２×π×０［ｒａｄ／ｓ］から２×π×１０［ｒａｄ／ｓ］の間となることを特徴とする振動試験装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２または請求項３に記載の振動試験装置において、前記供試体が回転体を有する場合、前記回転体の駆動周波数を検出し、その検出信号を基に前記フィルタの角周波数を決定し、前記駆動周波数が変動した場合、その変動に合わせて前記フィルタの角周波数を更新させることを特徴とする振動試験装置。
【請求項５】
請求項１または請求項２または請求項３に記載の振動試験装置において、前記回転体の駆動周波数を、前記供試体または前記テーブルでの前記目標波形信号の理想信号と前記供試体または前記テーブルでの前記目標波形信号の実信号との誤差を基に推定し、前記推定値を前記フィルタの角周波数とすることを特徴とする振動試験装置。
【請求項６】
請求項５に記載の振動試験装置において、前記理想信号は、前記振動試験装置の数値モデルにより計算された信号、若しくは、前記供試体が回転しないときに加振した、前記供試体または前記テーブルでの実信号とすることを特徴とする振動試験装置。
【請求項７】
請求項１または請求項２または請求項３に記載の振動試験装置において、前記目標波形信号を入力とした、第一のフィードフォワード補償器と第二のフィードフォワード補償器を備え、前記各補償器の出力と前記反力補償手段と同一のフィルタであって前記目標波形信号を入力としたフィルタの出力信号を前記制御装置に加算することを特徴とする振動試験装置。
【請求項８】
請求項１または請求項２または請求項３に記載の振動試験装置において、前記目標波形信号を入力とした、第三のフィードフォワード補償器を備え、この補償器と前記反力補償手段と同一のフィルタの出力信号を前記制御装置に加算することを特徴とする振動試験装置。
【請求項９】
請求項７に記載の振動試験装置において、前記第一のフィードフォワード補償器と前記第二のフィードフォワード補償器の分子が、制御対象である前記サーボ弁と前記油圧加振機と前記テーブルと前記供試体の伝達関数の分子または分母であり、それぞれの補償器の分母が、前記制御対象の伝達関数の分子または分母の相対次数以上の次数となるローパスフィルタであることを特徴とする振動試験装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の振動試験装置において、前記第三のフィードフォワード補償器は、
前記目標波形信号の一回積分値および二回積分値に相当する信号を算出し、
加速度、速度、および変位に相当する３種の信号情報を制御系の特性が一次遅れ要素と
等価になるような比率で出力することで、
新たな目標波形信号を生成することを特徴とする振動試験装置。
【請求項１】
供試体を搭載するテーブルと、前記供試体または前記テーブルを加振する油圧加振機と、前記油圧加振機または前記テーブルまたは前記供試体の動作状態を計測する計測装置と、前記供試体または前記テーブルで再現すべき目標波形信号を生成する波形発生装置と、前記油圧加振機の動作を制御するための制御装置を備えた振動試験装置において、
前記油圧加振機は、作動油を供給するための油圧源と、電気信号により前記作動油のシリンダへの供給量を調整するサーボ弁と、継手を介して前記供試体または前記テーブルへ動力を伝達する軸と、前記作動油の圧力を受けるピストンとを具備し、前記計測装置は、前記軸の変位と、前記供試体または前記テーブルの加速度と、前記ピストンで仕切られた前記シリンダ内の作動油の圧力差とを検出するセンサおよび計測器を具備し、前記制御装置は、前記変位と前記加速度と前記差圧の検出信号と、前記目標波形から前記サーボ弁への電気信号を生成するものであって、前記制御装置内に前記供試体から受ける反力を抑制する反力補償手段を有することを特徴とする振動試験装置。
【請求項２】
請求項１に記載の振動試験装置において、前記反力補償手段は前記テーブル、前記供試体、前記ピストン、何れかの加速度の検出信号を入力とするフィルタであって、前記フィルタのゲイン特性は凸形状を示し、前記供試体から受ける反力の周波数にゲインが最大値となる周波数特性を有することを特徴とする振動試験装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の振動試験装置において、前記フィルタの分子、分母の角周波数の差が２×π×０［ｒａｄ／ｓ］から２×π×１０［ｒａｄ／ｓ］の間となることを特徴とする振動試験装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２または請求項３に記載の振動試験装置において、前記供試体が回転体を有する場合、前記回転体の駆動周波数を検出し、その検出信号を基に前記フィルタの角周波数を決定し、前記駆動周波数が変動した場合、その変動に合わせて前記フィルタの角周波数を更新させることを特徴とする振動試験装置。
【請求項５】
請求項１または請求項２または請求項３に記載の振動試験装置において、前記回転体の駆動周波数を、前記供試体または前記テーブルでの前記目標波形信号の理想信号と前記供試体または前記テーブルでの前記目標波形信号の実信号との誤差を基に推定し、前記推定値を前記フィルタの角周波数とすることを特徴とする振動試験装置。
【請求項６】
請求項５に記載の振動試験装置において、前記理想信号は、前記振動試験装置の数値モデルにより計算された信号、若しくは、前記供試体が回転しないときに加振した、前記供試体または前記テーブルでの実信号とすることを特徴とする振動試験装置。
【請求項７】
請求項１または請求項２または請求項３に記載の振動試験装置において、前記目標波形信号を入力とした、第一のフィードフォワード補償器と第二のフィードフォワード補償器を備え、前記各補償器の出力と前記反力補償手段と同一のフィルタであって前記目標波形信号を入力としたフィルタの出力信号を前記制御装置に加算することを特徴とする振動試験装置。
【請求項８】
請求項１または請求項２または請求項３に記載の振動試験装置において、前記目標波形信号を入力とした、第三のフィードフォワード補償器を備え、この補償器と前記反力補償手段と同一のフィルタの出力信号を前記制御装置に加算することを特徴とする振動試験装置。
【請求項９】
請求項７に記載の振動試験装置において、前記第一のフィードフォワード補償器と前記第二のフィードフォワード補償器の分子が、制御対象である前記サーボ弁と前記油圧加振機と前記テーブルと前記供試体の伝達関数の分子または分母であり、それぞれの補償器の分母が、前記制御対象の伝達関数の分子または分母の相対次数以上の次数となるローパスフィルタであることを特徴とする振動試験装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の振動試験装置において、前記第三のフィードフォワード補償器は、
前記目標波形信号の一回積分値および二回積分値に相当する信号を算出し、
加速度、速度、および変位に相当する３種の信号情報を制御系の特性が一次遅れ要素と
等価になるような比率で出力することで、
新たな目標波形信号を生成することを特徴とする振動試験装置。
【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】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００８−２３３０７５（Ｐ２００８−２３３０７５Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３７４７９（Ｐ２００８−３７４７９）
【出願日】平成２０年２月１９日（２００８．２．１９）
【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１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１９日（２００８．２．１９）
【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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