CN113167700B - 材料试验机及材料试验机的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种材料试验机及材料试验机的控制方法，在经由低通滤波器来进行控制输入的情况下，根据低通滤波器的设定，针对稳定性及响应性两方面来设定更适当的控制增益。控制部(21)经由低通滤波器来进行对于负荷机构(40)的控制输入，在变更了低通滤波器的设定时，进行包括负荷机构(40)及低通滤波器的控制系统的稳定判别，来设定基于在控制系统稳定的范围内测定值相对于目标值的偏差量成为规定值以下的最大的控制增益的适当控制增益，并使用适当控制增益来控制负荷机构(40)的运行。

Description

材料试验机及材料试验机的控制方法
技术领域
本发明涉及一种材料试验机及材料试验机的控制方法。
背景技术
在材料试验机中，通常是以规定的应力或应变为目标进行试验，且对由负荷传感器(load cell)或位移计等所得的测定值与目标值的差进行反馈，来控制对试验对象赋予试验力的负荷机构的运行(例如，参照专利文献1)。
在此种材料试验机中，为了减低干扰噪声的影响，通常是经由低通滤波器来进行控制输入，且使用者可在规定范围内变更低通滤波器的设定(截止频率的设定)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2018-96841号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
如上所述，在为了减低干扰噪声的影响而使用低通滤波器的情况下，存在如下情况：因由低通滤波器引起的时间延迟而控制变得不稳定。因此，考虑调整控制增益来确保控制的稳定性。
然而，在先前的材料试验机中，能够在规定范围内变更低通滤波器的设定，但控制增益不会与其联动地自动变更。因此，若控制增益过大，则控制容易变得不稳定，因此为了即便变更低通滤波器的设定也可始终进行稳定的控制，而将控制增益设定得低，对于响应性而言，未必最佳。
本发明是鉴于所述背景而成，其目的在于提供一种材料试验机及材料试验机的控制方法，所述材料试验机在经由低通滤波器来进行控制输入的情况下，可根据低通滤波器的设定，针对稳定性及响应性两方面来设定更适当的控制增益。
[解决问题的技术手段]
第一发明是一种材料试验机，其包括：负荷机构，对试验对象赋予试验力；测定器，测定根据所述试验力或所述试验力的赋予而发生变化的所述试验对象的物理量；以及控制部，控制所述试验力或所述试验对象的物理量或作用于所述试验对象的物理量，以使规定的目标值与由所述测定器所得的测定值的差分减少，从而进行对于所述试验对象的材料试验；且所述材料试验机的特征在于：所述控制部经由低通滤波器来进行对于所述负荷机构的控制输入，在变更了所述低通滤波器的设定时，确定基于包括所述负荷机构及所述低通滤波器的控制系统稳定的范围内的控制增益的适当控制增益，使用所述适当控制增益来控制所述负荷机构的运行。
根据第一发明，第二发明的特征在于：所述控制部通过比例控制及积分控制来控制所述试验力，所述控制增益为积分增益及比例增益，确定适当比例增益及适当积分增益作为所述适当控制增益。
根据第二发明，第三发明的特征在于：所述控制部针对将所述控制系统的传递函数的分母设为0的方程式的判别式，提取以所述比例增益为变量时所述判别式的值成为最大的点，并基于所述提取出的点处的所述比例增益来确定所述适当比例增益。
根据第三发明，第四发明的特征在于：所述控制部在将所述适当比例增益代入至所述判别式中并以所述积分增益为变量时，基于在所述判别式的值成为0以上的范围内最大的所述积分增益来确定所述适当积分增益。
根据第三发明或第四发明，第五发明的特征在于：所述控制部在所述传递函数的分母的次数为四次以上时，使用将所述分母近似为三次以下的方程式的判别式作为所述判别式。
第六发明是一种材料试验机的控制方法，其在如下材料试验机中实施，所述材料试验机包括：负荷机构，对试验对象赋予试验力；测定器，测定根据所述试验力或所述试验力的赋予而发生变化的所述试验对象的物理量；以及控制部，控制所述试验力或所述试验对象的物理量或作用于所述试验对象的物理量，以使规定的目标值与由所述测定器所得的测定值的差分减少，从而进行对于所述试验对象的材料试验；且所述材料试验机的控制方法的特征在于包括：所述控制部经由低通滤波器来进行对于所述负荷机构的控制输入的步骤；所述控制部在变更了所述低通滤波器的设定时，确定基于包括所述负荷机构及所述低通滤波器的控制系统稳定的范围内的控制增益的适当控制增益的步骤；以及所述控制部使用所述适当控制增益来控制所述负荷机构的运行的步骤。
再者，在本说明书中包含2018年12月21日提出申请的日本专利申请/特愿2018-239054号的全部内容。
[发明的效果]
根据第一发明，在变更了低通滤波器的设定时，通过控制部，来确定基于包括负荷机构及低通滤波器的控制系统稳定的范围内的控制增益的适当控制增益。然后，通过控制部，使用适当控制增益来控制负荷机构的运行。由此，在变更了低通滤波器的设定时，可结合变更后的低通滤波器的设定，针对控制系统的稳定化与响应性两方面来确定更适当的控制增益。
根据第二发明，在通过比例控制及积分控制来控制试验力的情况下，可根据低通滤波器的变更来设定更适当的比例增益及积分增益。
根据第三发明，通过使用将控制系统的传递函数的分母设为0(零)的方程式的判别式，可在确保控制系统的稳定的基础上容易地确定适当的比例增益。
根据第四发明，通过使用将控制系统的传递函数的分母设为0的方程式的判别式，可在确保控制系统的稳定的基础上容易地确定适当的积分增益。
根据第五发明，通过使用将控制系统的传递函数的分母的次数近似为三次以下的方程式，可简化基于判别式的运算处理来确定适当的比例增益及积分增益。
根据第六发明，通过利用材料试验机来实施第六发明的方法，可获得与第一发明相同的效果。
附图说明
图1是示意性表示本发明的实施方式的材料试验机的结构的图。
图2是控制系统的方块图。
图3是控制增益的设定处理的流程图。
图4是适当比例增益的设定处理的说明图。
图5是适当积分增益的设定处理的说明图。
[符号的说明]
1：材料试验机
2：试验机主体
10：控制装置
20：CPU
21：控制部
22：测定部
36：负荷传感器
40：负荷机构
43：伺服马达
60：伸长计
100：PC
TP：试验片
具体实施方式
[1.材料试验机的结构]
以下，参照图式，对本发明的实施方式进行说明。
图1是示意性表示本实施方式的材料试验机1的结构的图。
本实施方式的材料试验机1是所谓的拉伸试验机，且为对确定对于拉伸或剪切等外力的耐久性等的材料固有的机械性质进行试验的试验机。
材料试验机1包括：试验机主体2，对作为试验对象的材料的试验片TP赋予作为负荷的试验力来进行拉伸试验；控制装置10，对基于试验机主体2的拉伸试验动作进行控制；以及伸长计60，测量试验片TP的伸长量。伸长计60是不依赖于使用者的手工作业地进行试验片TP的把持与释放的自动伸长计。
伸长计60包括把持试验片TP并与试验片TP一起位移的上臂61及下臂62、以及臂致动器63。臂致动器63例如是电动马达，使上臂61及下臂62在上下方向上移动。上臂61及下臂62的前端呈能够开闭的U字形状，通过臂致动器63来切换开状态与闭状态。
在执行拉伸试验时，通过臂致动器63而将上臂61及下臂62的前端部设为闭状态，从而由上臂61及下臂62把持试验片TP。拉伸试验的执行中，利用臂致动器63进行的上臂61及下臂62的上下方向上的保持被解除，上臂61及下臂62根据试验片TP的伸长而位移。另一方面，在通过臂致动器63而将上臂61及下臂62的前端设为开状态时，试验片TP自上臂61及下臂62释放。
伸长计60通过磁感应方式线性传感器来测定试验片TP的伸长量，并将每当试验片TP伸长规定量时生成一个脉冲的伸长量测定信号A2输出至控制装置10。再者，也可设为通过应变仪式传感器来测定试验片TP的伸长量的结构。
[2.试验机主体的结构]
试验机主体2包括：工作台30；一对螺杆31、32，在工作台30上竖立设置为能够以朝向铅垂方向的状态旋转；十字头33，能够沿着这些螺杆31、32移动；负荷机构40，使所述十字头33移动而对试验片TP施加负荷；以及负荷传感器36。负荷传感器36是测定作为对试验片TP赋予的拉伸载荷的试验力，并将表示所测定的试验力的试验力测定信号A1输出至控制装置10的传感器。试验力相当于本发明的物理量，负荷传感器36相当于本发明的测定器。再者，也可设为使螺杆为一根的结构。
一对螺杆31、32包含滚珠丝杠，十字头33经由省略图示的螺母而与各螺杆31、32连结。负荷机构40包括：蜗杆减速机41、42，与各螺杆31、32的下端部连结；以及伺服马达43，与各蜗杆减速机41、42连结。
负荷机构40经由蜗杆减速机41、42而向一对螺杆31、32传递伺服马达43的旋转，各螺杆31、32同步地旋转，由此十字头33沿着螺杆31、32升降。
在十字头33上附设有用以把持试验片TP的上端部的上夹具34，在工作台30上附设有用以把持试验片TP的下端部的下夹具35。试验机主体2在进行拉伸试验时，在利用上夹具34把持试验片TP的上端部，同时利用下夹具35把持试验片TP的下端部的状态下，通过基于控制装置10的控制而使十字头33上升，由此对试验片TP赋予试验力。
[3.控制装置的结构]
控制装置10进行试验机主体2的运行的控制与试验状况的测定。在控制装置10上连接有作为外部控制装置的个人计算机(Personal Computer，PC)100，PC 100在与控制装置10之间进行通信，来进行拉伸试验的试验条件的设定、拉伸试验的开始的指示、拉伸试验的进展状况的监视及测定数据的显示与分析等。
控制装置10是由中央处理器(Central Processing Unit，CPU)20、存储器11、未图示的接口电路等构成的电子电路单元。控制装置10包括：传感放大器12，对自负荷传感器36输出的试验力测定信号A1进行放大；计数器13，对自伸长计60输出的伸长量测定信号A2的脉冲数进行计数；以及伺服放大器14，向伺服马达43供给驱动电流。另外，控制装置10包括用以指示伸长计60的上臂61及下臂62的上下方向上的移动与开闭等的遥控器15。
控制装置10通过由CPU 20执行存储器11中所保存的控制装置10用的控制程序，而作为控制部21及测定部22发挥功能。通过控制部21来执行本发明的材料试验机的控制方法中的各步骤的处理。控制装置10接收自PC 100发送的试验条件命令TCd、试验开始命令TSc及伸长计操作命令EXc等。
控制部21在接收到试验开始命令TSc时，依据试验条件命令TCd来执行基于试验机主体2的拉伸试验的运行的控制。通过试验条件命令TCd来指示原点调整、冲程范围、拉伸速度等试验条件。另外，关于后述的控制系统的低通滤波器的设定(截止频率的设定)，也可根据试验条件命令TCd来变更。低通滤波器的设定可为无阶段，也可为多阶段(5阶段等)。
另外，控制部21在接收到伸长计操作命令EXc时，根据基于伸长计操作命令EXc的指示内容，而将指示上臂61及下臂62的上下滑动的滑动控制信号SLc、指示上臂61及下臂62的前端部的开闭的开闭控制信号Chc等输出至伸长计60。
测定部22基于由传感放大器12放大的试验力测定信号A1，来识别对试验片TP赋予的试验力的测定值(以下，记为测定试验力Fs)。另外，测定部22基于由计数器13计数的伸长量测定信号A2的脉冲数，来识别自拉伸试验开始时起的试验片TP在上方向上的位移(伸长量，以下记为测定位移Xs)。上方向上的位移相当于本发明的物理量。然后，测定部22将包含测定试验力Fs与测定位移Xs的测定数据Md发送至PC 100。
PC 100获取通过使用者P的操作而设定的拉伸试验的执行条件，并将试验条件命令TCd发送至控制装置10。另外，PC 100受理通过使用者P的操作而指示的拉伸试验的开始，并将试验开始命令TSc发送至控制装置10。进而，PC 100接收自控制装置10发送的测定数据Md，来识别测定试验力Fs与测定位移Xs，并显示表示测定试验力Fs与测定位移Xs的推移等的监测画面。
[4.控制系统的结构]
参照图2来说明对赋予至试验片TP的试验力进行控制的结构。图2是本实施方式的试验力的控制系统的方块图，控制部21进行基于所述方块图的比例积分(ProportionalIntegral，PI)控制，来确定对于伺服马达43的控制输入Cin。
图2的方块图中，利用减法器200算出试验力的目标值(目标试验力)fc与测定试验力fs的差分Δf，利用乘法器201将积分增益Ki乘以差分Δf并输入至积分器202。然后，利用减法器203自积分器202的输出中减去利用乘法器208将比例增益St_Kp乘以测定试验力fs所得的值。
然后，针对减法器203的输出，经由低通滤波器204而算出对于伺服马达43的控制输入Cin，来进行减少差分Δf的控制。在图2的方块图中，通过加法器207来表示测定试验力fs是干扰噪声ds与实际对试验片TP赋予的试验力fr重叠而成。
若用传递函数表示图2的方块图，则成为以下式(1)。
[数式1]
控制部21使用与将所述式(1)的传递函数G(s)的分母设为0的以下式(2)的拉普拉斯运算子s的三次方程式有关的判别式D，来确定更适当的比例增益St_Kp与积分增益Ki。
[数式2]
(Ts2+(St_Kp·k+1)s+Ki·k)w+Ts3+s2＝0·····(2)
此处，以下式(3)的三次方程式的通式的判别式D成为以下式(4)，因此控制部21以如下式(4)的形式设定所述式(2)的判别式D。
[数式3]
ax3+bx2+cx+d＝0·····(3)
[数式4]
D＝-4ac3-27a2d2+b2c2+18abcd-4b3d·····(4)
[5.与低通滤波器的设定变更对应的适当控制增益的确定]
依据图3所示的流程图，对如下处理进行说明：在通过PC 100的操作来变更低通滤波器204的设定(截止频率的设定)的情况下，用以确定与所变更的截止频率对应的适当的比例增益及积分增益的处理。
基于图3所示的流程图的处理由控制部21执行。在图3的步骤S1中，控制部21在根据自PC 100发送来的试验条件命令TCd变更了低通滤波器204的设定时，将处理推进至步骤S2。在步骤S2中，控制部21设定所述式(2)的s的三次方程式的判别式D。
接着，在步骤S3中，控制部21将判别式D视作以比例增益St_Kp为变量的函数，并提取判别式D成为最大的点。然后，控制部21将所提取出的点处的比例增益St_Kp的值确定为适当比例增益Kpap。此处，图4示出适当比例增益Kpap的确定例，纵轴设定为判别式D，横轴设定为比例增益St_Kp。
在所述式(1)的传递函数G(s)的极点全部为负的实数或包含负的实数部的复数的情况下，变得稳定，极点的虚数值越小，过冲越少。另外，在极点全部为实数解的情况下，不产生过冲。另外，关于三次方程式的判别式D，若D＝0，则有重复解，若D＞0，则有三个相互不同的实数解。
因此，控制部21将所述式(2)的判别式D视作以比例增益St_Kp为变量的函数，并提取判别式D成为最大的点。然后，控制部21将判别式D的值成为最大的点处的比例增益St_Kp确定为适当比例增益Kpap。此处，图4例示了适当比例增益的获取例。
图4中，将纵轴设定为判别式D、将横轴设定为比例增益St_Kp来示出判别式D与比例增益St_Kp的关系，在St_Kp＞0的范围内，提取St_Kp＝St1的点P1作为判别式D的值成为最大的点。点P1处的比例增益Kp1利用以下式(5)来算出。
[数式5]
然后，控制部21将点P1的比例增益St1设定为适当比例增益Kpap。再者，关于适当比例增益Kpap，可并非是比例增益St_Kp的最大值Kp1，而是基于最大值Kp1来设定为较最大值Kp1稍微(几％等)小的值。
在接下来的步骤S4中，控制部21将适当比例增益Kpap代入至判别式D中，将判别式D视作以积分增益Ki为变量的函数，并提取在D≧0的范围内成为最大的积分增益Ki。然后，控制部21将所提取出的积分增益Ki确定为适当积分增益Kiap。此处，图5示出了适当积分增益Kiap的获取例。
图5中，将纵轴设定为判别式D、将横轴设定为积分增益Ki来示出判别式D与积分增益Ki的关系，控制部21提取在D≧0的范围中成为最大的点P3。然后，控制部21将点P3处的积分增益Ki的值Ki1确定为适当积分增益Kiap。再者，关于适当积分增益Kiap，可并非是D≧0时的积分增益Ki的最大值Ki1，而是基于最大值Ki1来设定为较最大值Ki1稍微(几％等)小的值。
接着，在步骤S5中，控制部21使用在步骤S3中设定的适当比例增益Kpap及在步骤S4中设定的适当积分增益Kiap，并通过图2的方块图来确定对于伺服马达43的控制输入Cin。由此，可避免控制系统的稳定及相对于目标试验力fc的测定试验力fs的过冲而将比例增益St_Kp及积分增益Ki设定得尽可能大，因此就稳定性及响应性两方面而言，可设定更适当的比例增益St_Kp及积分增益Ki。
此处，也可设为如下结构：除实时计算增益以外，还预先准备计算每个规定的频率下的最佳增益而生成的频率与最佳增益的对应图，参照所述对应图来求出最佳增益。
[6.其他实施方式]
在所述实施方式中，针对所述式(1)的传递函数G(s)，使用所述式(2)的方程式的判别式D来进行控制系统的稳定判别，但也可通过其他方法来进行稳定判别。
在所述实施方式中，如所述式(1)所示，示出了传递函数G(s)的分母为三次的情况，但在传递函数的分母的次数成为四次以上的情况下，可通过近似为三次以下的式，并利用与所述实施方式相同的处理来求出适当的控制增益。
在所述实施方式中，示出了通过比例控制及积分控制来控制试验力的结构，但在采用基于其他控制方法的控制的情况下，通过进行控制系统的稳定判别来设定适当控制增益，也可获得本发明的效果。例如，即便在对试验对象的物理量(位移、应变等)、作用于试验对象的物理量(转矩、压力等)进行控制的情况下，也能够应用本发明。
在所述实施方式中，以不产生过冲的方式确定了适当比例增益与适当积分增益，但也可设为以使过冲成为规定值以下的方式确定适当比例增益与适当积分增益。
在所述实施方式中，使用伺服马达43作为负荷机构40的驱动源，但也可使用油压源等其他驱动源。或者，也可使用电磁式、空气驱动式等的驱动源。在所述情况下，结合图2的方块图中的符号205的操作对象的近似式到负荷机构的规格来设定。
在所述实施方式中，图1所示的功能方块是为了容易理解本申请发明而根据主要处理内容分类示出构成要素的概略图，也可根据处理内容而分类为更多的构成要素。另外，也可分类为一个构成要素执行更多的处理。
在所述实施方式中，作为本发明的材料试验机，示出进行拉伸试验的材料试验机1，但本发明可广泛应用于对试验片赋予试验力来测定试验片中产生的物理量的变化的材料试验机。例如，可将本发明应用于进行压缩试验、弯曲试验、剥离试验、疲劳试验等的材料试验机。

Claims (4)

1.一种材料试验机，包括：
负荷机构，对试验对象赋予试验力；
测定器，测定根据所述试验力或所述试验力的赋予而发生变化的所述试验对象的物理量；以及
控制部，控制所述试验力或所述试验对象的物理量或作用于所述试验对象的物理量，以使规定的目标值与由所述测定器所得的测定值的差分减少，从而进行对于所述试验对象的材料试验；且所述材料试验机的特征在于：
所述控制部经由低通滤波器来进行对于所述负荷机构的控制输入，且
在变更了所述低通滤波器的设定时，确定基于包括所述负荷机构及所述低通滤波器的控制系统稳定的范围内的控制增益的适当控制增益，且
使用所述适当控制增益来控制所述负荷机构的运行，
所述控制部通过比例控制及积分控制来控制所述试验力，所述控制增益为积分增益及比例增益，确定适当比例增益及适当积分增益作为所述适当控制增益，且
所述控制部针对将所述控制系统的传递函数的分母设为0的方程式的判别式，提取以所述比例增益为变量时所述判别式的值成为最大的点，并基于所述提取出的点处的所述比例增益来确定所述适当比例增益。
2.根据权利要求1所述的材料试验机，其特征在于：
所述控制部在将所述适当比例增益代入至所述判别式中并以所述积分增益为变量时，基于在所述判别式的值成为0以上的范围内最大的所述积分增益来确定所述适当积分增益。
3.根据权利要求1或2所述的材料试验机，其特征在于：
所述控制部在所述传递函数的分母的次数为四次以上时，使用将所述分母近似为三次以下的方程式的判别式作为所述判别式。
4.一种材料试验机的控制方法，其在如下材料试验机中实施，所述材料试验机包括：
负荷机构，对试验对象赋予试验力；
测定器，测定根据所述试验力或所述试验力的赋予而发生变化的所述试验对象的物理量；以及
控制部，控制所述试验力或所述试验对象的物理量或作用于所述试验对象的物理量，以使规定的目标值与由所述测定器所得的测定值的差分减少，从而进行对于所述试验对象的材料试验；且所述材料试验机的控制方法的特征在于包括：
所述控制部经由低通滤波器来进行对于所述负荷机构的控制输入的步骤；
所述控制部在变更了所述低通滤波器的设定时，确定基于包括所述负荷机构及所述低通滤波器的控制系统稳定的范围内的控制增益的适当控制增益的步骤；
所述控制部使用所述适当控制增益来控制所述负荷机构的运行的步骤；
所述控制部通过比例控制及积分控制来控制所述试验力，所述控制增益为积分增益及比例增益，确定适当比例增益及适当积分增益作为所述适当控制增益的步骤；以及
所述控制部针对将所述控制系统的传递函数的分母设为0的方程式的判别式，提取以所述比例增益为变量时所述判别式的值成为最大的点，并基于所述提取出的点处的所述比例增益来确定所述适当比例增益的步骤。
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