JP2000099102A - フィードバック制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 制御対象装置備える複数のセンサ系が夫々出
力するアナログセンサ信号を同時にＡ／Ｄ変換する必要
があり、しかも、ディジタル信号処理装置のＡ／Ｄ変換
部がオートレンジ機能を備えているという状況に、フィ
ードバック制御システムの処理能力を向上させて好適に
対応できるようにする。 【解決手段】 ディジタル信号処理装置１６を用いたフ
ィードバック制御システム１０は、油圧式材料試験機１
２を制御するための制御システムであり、ディジタル信
号処理装置１６は、複数のセンサ系１４−１〜１４−ｎ
の夫々に対応した複数のフィードバックループ形成手段
２４−１〜２４−ｎを含んでおり、それら複数のフィー
ドバックループ形成手段のうちの１つが選択されて制御
目的に使用され、それらフィードバックループ形成手段
の夫々のＡ／Ｄ変換部３２がオートゲイン機能を備えて
いるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディジタル信号処
理装置を用いたフィードバック制御システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】ある装置を高精度で制御する必要がある
ときには、多くの場合、フィードバック制御方式が用い
られる。フィードバック制御システムの典型的な構成
は、制御対象装置と、その制御対象装置の出力量を表す
センサ信号をフィードバック信号として発生するセンサ
系と、制御対象装置の出力目標値を表す目標値信号を発
生する目標値信号発生部と、目標値信号とフィードバッ
ク信号との差分を誤差信号として発生する比較部と、誤
差信号に応じた制御信号を発生させる制御信号発生部と
を備え、その制御信号で制御対象装置を制御するという
ものである。かかる構成のフィードバック制御システム
は、様々な分野で広く用いられている。

【０００３】現在では、このようなフィードバック制御
システムを、ディジタル信号処理装置を用いて構成する
ということも一般的に行なわれている。周知のごとく、
ディジタル信号処理装置は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、
それに積和演算器等を組合せて構成されており、ディジ
タル信号に処理ないし操作を加えることによって様々な
機能を実現する装置である。

【０００４】制御対象装置の出力量を検出するセンサと
しては、ディジタルセンサ信号を発生するものよりもア
ナログセンサ信号を発生するものの方が圧倒的に多いた
め、フィードバック制御システムに用いられるディジタ
ル信号処理装置の多くは、制御対象装置の出力量を表す
アナログセンサ信号を受取りそれをディジタル信号に変
換することでディジタルフィードバック信号を発生する
Ａ／Ｄ変換部を備えている。

【０００５】更に、フィードバック制御システムに用い
られるディジタル信号処理装置は、制御対象装置の出力
目標値を表すディジタル目標値信号を発生する目標値信
号発生部と、ディジタルフィードバック信号とディジタ
ル目標値信号との差分であるディジタル誤差信号を発生
する誤差信号発生部と、ディジタル誤差信号に演算処理
を施すことで制御信号を発生する演算処理部とを備えて
いる。

【０００６】Ａ／Ｄ変換部は、一般的に、Ａ／Ｄコンバ
ータを用いて構成するようにしている。Ａ／Ｄ変換部に
用いるＡ／Ｄコンバータを、入力アナログ信号の対数値
に比例する出力ディジタル信号を発生する特性を有する
ものにすると、ディジタル信号処理装置のその他の構成
要素である目標値信号発生部、誤差信号発生部、及び演
算処理部の構成が複雑になってしまうため、Ａ／Ｄ変換
部のＡ／Ｄコンバータとしては、入力アナログ信号に正
比例する出力ディジタル信号を発生する、ごく一般的な
特性のＡ／Ｄコンバータが使用される。

【０００７】ところが、このようなＡ／Ｄコンバータで
は、入力アナログ信号の量子化が等間隔で行われるた
め、入力アナログ信号のレベルが低いときには、入力ア
ナログ信号の大きさに対する量子化ステップの大きさが
相対的に大きくなり、分解能が悪化したのと同じ結果と
なる。これは、出力ディジタル信号の量子化ノイズが増
大して信号品質が悪化することを意味している。また、
その出力ディジタル信号をサンプリングすることで制御
対象装置の出力量を表すデータを収集すると、入力アナ
ログ信号のレベルが低いときにはデータの有効桁数が減
少してデータ品質が悪化するという不都合も生じる。

【０００８】Ａ／Ｄコンバータへ入力するアナログ信号
のレベルが低いということは、より厳密に述べるなら
ば、その入力アナログ信号のレベルの絶対値がＡ／Ｄコ
ンバータの入力レンジの限界値と比べてかなり小さいと
いうことである。例えばＡ／Ｄコンバータの入力レンジ
が±１０．０Ｖである場合に、入力アナログ信号のレベ
ルの絶対値が１．０Ｖ以下であったならば、１０．０Ｖ
の近くにあるときと比べて量子化ノイズが約１０倍以上
になるため、入力アナログ信号のレベルはかなり低いと
いえる。また、レベルの絶対値が５．０Ｖ以上であった
ならば、量子化ノイズは十分に小さく、従って入力アナ
ログ信号のレベルは低くない。

【０００９】入力アナログ信号のレベルが低い場合に
は、その入力アナログ信号を適当な増幅率で増幅した後
にＡ／Ｄコンバータに入力させるようにすれば、出力デ
ィジタル信号の信号品質の悪化という不都合を防止する
ことができる。このように入力アナログ信号を増幅する
と、Ａ／Ｄコンバータの入力レンジに対応するセンサ信
号のレンジが変化することから、これは、レンジ調節と
呼ばれている。

【００１０】制御対象装置の制御実行中に、センサ信号
が大きな範囲に亘って変化するということが、予め想定
される場合には、Ａ／Ｄ変換部へ入力してくるセンサ信
号のレベルを常時モニタして自動的にレンジ調節を行う
ようにするとよい。これは、オートレンジ機能と呼ばれ
るものであり、Ａ／Ｄ変換部がオートレンジ機能を備え
ていれば、そのＡ／Ｄ変換部から出力されるディジタル
信号の信号品質を常に良好に維持することができる。

【００１１】ディジタル信号処理装置のＡ／Ｄ変換部の
オートレンジ機能をハードウェアだけで実現することは
容易でなく、通常は、ディジタル信号処理装置のＣＰＵ
がオートレンジ機能に関与する。ただしその場合に、Ｃ
ＰＵのクロックサイクルがオートレンジ機能に割り当て
られるために、ＣＰＵの仕事量がかなり増大することに
なる。

【００１２】また、制御対象装置が複数のセンサ系を備
えていることがある。例えば、油圧式材料試験機の多く
は、その材料試験機に装着した試験片に加わる荷重を検
出するセンサ系と、その試験片に発生した変形量（変
位）を検出するセンサ系とを備えている。そして、材料
試験のうちには、荷重と変位との両方をデータとして収
集することを必要とするものがあり、そのような場合
に、データをデジタル信号として収集するには、それら
２つのセンサ系が出力するアナログセンサ信号を、同時
に並行してＡ／Ｄ変換しなければならない。

【００１３】データ収集のための専用のＡ／Ｄコンバー
タを装備することはコストの点で不利であるので、ディ
ジタル信号処理装置のＡ／Ｄ変換部から出力されるディ
ジタル信号をサンプリングすることでデータ収集を行う
というのが通常の方法であるが、複数のセンサ系から出
力されるセンサ信号を同時に並行して処理する場合に
は、Ａ／Ｄ変換部の機能を実現するためのディジタル信
号処理装置のＣＰＵの仕事量はかなり重たいものになら
ざるを得ない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】従って、制御対象装置
が複数のセンサ系を備えていてそれらセンサ系が夫々に
出力するアナログセンサ信号を同時にＡ／Ｄ変換する必
要があり、しかも、ディジタル信号処理装置のＡ／Ｄ変
換部がオートレンジ機能を備えている場合には、ディジ
タル信号処理装置のＣＰＵに要求される処理量が著しく
増大する。

【００１５】そのため、特にそのＡ／Ｄ変換部の、変換
動作に関するサンプリングレートが高い場合などには、
ディジタル信号処理装置のＣＰＵの処理能力が追い付か
ず、制御に支障を生じることがあった。ディジタル信号
処理装置の心臓部であるＣＰＵの性能向上は近年著しい
が、要求される制御精度も上昇しており、また、制御方
式がより緻密になるのに伴って制御に必要な情報量も増
大しているため、ディジタル信号処理装置の性能が要求
を満たせないという事態もしばしば発生している。

【００１６】本発明は上述した従来の問題点に鑑み成さ
れたものであり、本発明の目的は、ディジタル信号処理
装置を用いたフィードバック制御システムにおいて、制
御対象装置が複数のセンサ系を備えていてそれらセンサ
系が夫々に出力するアナログセンサ信号を同時にＡ／Ｄ
変換する必要があり、しかも、ディジタル信号処理装置
のＡ／Ｄ変換部がオートレンジ機能を備えているという
状況にも好適に対応することのできる、大きな処理能力
を備えたフィードバック制御システムを提供することに
ある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、請求項１に記載した本発明のフィードバック制御シ
ステムは、制御対象装置と、該制御対象装置の出力量を
表すアナログセンサ信号を夫々が発生する複数のセンサ
系と、前記複数のセンサ系が夫々に発生するアナログセ
ンサ信号を受取り前記制御対象装置を制御するための制
御信号を出力するディジタル信号処理装置とを備えたフ
ィードバック制御システムにおいて、［Ｉ］前記ディジ
タル信号処理装置が、前記制御対象装置の出力目標値を
表すディジタル目標値信号を発生する目標値信号発生部
と、前記複数のセンサ系の夫々に対応した複数のフィー
ドバックループ形成手段とを含んでおり、［II］前記複
数のフィードバックループ形成手段の各々が、（ａ）対
応するセンサ系から入力してくるアナログセンサ信号を
ディジタル信号に変換することでディジタルフィードバ
ック信号を発生するＡ／Ｄ変換部と、（ｂ）前記ディジ
タルフィードバック信号と前記ディジタル目標値信号と
の差分であるディジタル誤差信号を発生する誤差信号発
生部と、（ｃ）前記ディジタル誤差信号に演算処理を施
すことで前記制御信号を発生する演算処理部とを備えて
おり、［III］前記複数のフィードバックループ形成手
段のうちの１つが選択されて制御目的に使用されるよう
にしてあり、［IV］前記Ａ／Ｄ変換部が、入力してくる
アナログセンサ信号のレベルが所定の複数の信号レベル
レンジのうちのどの信号レベルレンジに含まれているか
を判定してその判定結果を表す第１ディジタル信号を発
生する信号レベル判定部と、入力してくるアナログセン
サ信号を前記第１ディジタル信号に応じた増幅率で増幅
する増幅率可変の増幅部と、前記増幅部から出力される
アナログセンサ信号をディジタル信号に変換することで
第２ディジタル信号を発生するＡ／Ｄコンバータと、前
記第１ディジタル信号と前記第２ディジタル信号とをマ
ージして前記ディジタルフィードバック信号を発生する
ディジタル信号マージ部とを含んでいることを特徴とし
ている。

【００１８】また、請求項２に記載した本発明のフィー
ドバック制御システムは、前記複数のフィードバックル
ープ形成手段の各々が、互いに物理的に独立したユニッ
トとして構成されていることを特徴としている。

【００１９】また、請求項３に記載した本発明のフィー
ドバック制御システムは、前記ディジタルフィードバッ
ク信号をサンプリングすることで前記制御対象装置の出
力量をデータとして収集するデータ収集手段を更に備え
たことを特徴としている。

【００２０】また、請求項４に記載した本発明のフィー
ドバック制御システムは、前記制御対象装置が材料試験
機であり、前記複数のセンサ系が前記材料試験機に装着
された試験片に関する複数の物理量の各々を検出するセ
ンサ系であることを特徴としている。

【００２１】請求項１に記載した本発明のフィードバッ
ク制御システムによれば、フィードバック制御システム
を構成しているディジタル信号処理装置が、複数のセン
サ系の夫々に対応した複数のフィードバックループ形成
手段を含んでおり、それらフィードバックループ形成手
段のうちの１つが選択されて制御目的に使用されるよう
にしてあり、それらフィードバックループ形成手段の夫
々のＡ／Ｄ変換部がオートゲイン機能を備えているよう
にしたため、制御対象装置が複数のセンサ系を備えてい
てそれらセンサ系が夫々に出力するアナログセンサ信号
を同時にＡ／Ｄ変換する必要があり、しかも、ディジタ
ル信号処理装置のＡ／Ｄ変換部がオートレンジ機能を備
えているという状況にも好適に対応することのできる、
大きな処理能力を有するフィードバック制御システムを
構成することが可能である。

【００２２】また、請求項２に記載した本発明のフィー
ドバック制御システムによれば、複数のフィードバック
ループ形成手段の各々が、互いに物理的に独立したユニ
ットとして構成されているため、制御対象装置のセンサ
系が、それまでのものとは異なる特性のセンサ系に交換
された場合や、制御対象装置に新たなセンサ系が追加さ
れた場合にも容易に対応することができ、従って、融通
性に優れたフィードバック制御システムを構成すること
が可能である。

【００２３】また、請求項３に記載した本発明のフィー
ドバック制御システムによれば、制御対象装置の出力量
をデータとして収集する際に、高速のサンプリングレー
トで高精度のデータを容易に収集することが可能であ
る。

【００２４】また、請求項４に記載した本発明のフィー
ドバック制御システムは、制御対象装置が材料試験機で
あり、複数のセンサ系がその材料試験機に装着された試
験片に関する複数の物理量の各々を検出するセンサ系で
あるというものであり、これは、請求項１、２または３
に記載したフィードバック制御システムを使用すること
によって特に大きな利点が得られる好適な適用対象とし
ての制御対象装置を示したものである。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形
態にかかるフィードバック制御システム１０を示したブ
ロック図である。

【００２６】図１に示したフィードバック制御システム
１０は、制御対象装置である油圧式材料試験機１２と、
この材料試験機１２の様々な出力量を表すアナログセン
サ信号ＳＳ１、ＳＳ２、…、ＳＳｎを夫々が発生する複
数のセンサ系１４−１、１４−２、…、１４−ｎと、そ
れら複数のセンサ系１４−１〜１４−ｎが夫々に発生す
るアナログセンサ信号ＳＳ１〜ＳＳｎを受取り材料試験
機１２を制御するための制御信号を出力するディジタル
信号処理装置１６とを備えている。

【００２７】材料試験機１２と、センサ系１４−１〜１
４−ｎと、ディジタル信号処理装置１６とは、図１に接
続記号Ｃで模式的に示したように、いずれもホストコン
ピュータ１８の制御下にあり、材料試験機１２のオペレ
ータは、このホストコンピュータ１８を操作することに
よって、以下に説明するそれら材料試験機１２、センサ
系１４−１〜１４−ｎ、及びディジタル信号処理装置１
６の様々な動作パラメータを設定することができる。

【００２８】材料試験機１２は、試験機フレームと、油
圧アクチュエータ系と、試験機フレームにその固定位置
が調節可能に固定される固定側荷重負荷部と、試験機フ
レームに移動可能に支持されて油圧アクチュエータ系で
駆動される可動側荷重負荷部とを備えている。そして、
固定側及び可動側の荷重負荷部の間に、直接にまたはチ
ャック等を介して試験片が装着され、油圧アクチュエー
タ系を作動させることによって、その試験片に種々の試
験操作を加え得るように構成されている。ただし本発明
にとっては、材料試験機１２の全体構成は重要ではない
ため、図１にはこの材料試験機１２を１個のブロックで
示した。

【００２９】材料試験機１２は、制御線２６を介して制
御入力部１２ａから入力される制御信号ＣＴＳによっ
て、その油圧アクチュエータ系が制御されるようにして
ある。尚、材料試験機１２は、油圧アクチュエータ系を
複数装備すると共に、それら油圧アクチュエータ系のう
ちの１つへ制御信号を導くためのセレクタを装備してお
り、そのセレクタはホストコンピュータ１８によって切
換制御される。従って、複数の油圧アクチュエータ系の
うちの１つだけが選択されて制御される。

【００３０】油圧アクチュエータ系を作動させると、材
料試験機１２に装着されている試験片に関係した物理量
（例えば、試験片に加わる荷重の大きさや、試験片に発
生する変形の大きさ）が変化する。これらの物理量が、
この材料試験機１２の出力量であり、従ってフィードバ
ック制御システム１０が制御すべき制御対象物理量（制
御量）である。

【００３１】複数のセンサ系１４−１〜１４−ｎは、材
料試験機１２の出力量であるそれら物理量の各々を検出
するためのものであり、検出した物理量（即ち、出力
量）を表すアナログセンサ信号を発生する。検出する出
力量の種類（例えば、荷重、試験片の変形に伴う変位、
等々）が異なれば、当然、異なった種類のセンサ系が必
要であり、更には、出力量の変動レンジの大きさによっ
ても異なったセンサ系が必要になる。それが必要である
のは、例えば、大荷重（或いは大変位）を検出するため
のセンサ系で、小荷重（或いは小変位）を検出すると、
検出精度が低下するおそれがあるからである。

【００３２】荷重を検出するためのセンサ系は、例え
ば、材料試験機１２の一方の荷重負荷部に取付けたロー
ドセルと、そのロードセルに付随するブリッジ回路と、
そのブリッジ回路に接続したセンサアンプとで構成する
ことができる。また、変位を検出するためのセンサ系
は、例えば、材料試験機１２の適当な箇所または試験片
に直接取り付けるようにしたポテンショメータと、その
ポテンショメータに接続したセンサアンプとで構成する
ことができる。材料試験機の分野では、様々なセンサ系
の具体的な構成が公知となっており、それらのうちから
任意の適当なものを使用すればよい。本発明にとって
は、センサ系の具体的な構成は重要ではなく、アナログ
センサ信号を発生するものであればよい。

【００３３】材料試験を実行する際には、複数のセンサ
系１４−１〜１４−ｎのうちのいずれか１つのセンサ系
が発生するセンサ信号が、制御目的に使用される。即
ち、その材料試験において制御対象とすべき特定の物理
量を適切な信号レンジで表すことのできる１つのセンサ
系のセンサ信号が使用される。従って、同時に２つ以上
のセンサ系のセンサ信号が制御目的に使用されることは
ない。ただし、いずれのセンサ系も、常時アクティブ状
態に維持して、検出及びセンサ信号の発生を行わせるこ
とができる。

【００３４】一方、材料試験によっては、同時に２つ以
上のセンサ系からのセンサ信号をデータとして収集する
ことを必要とするものがある。例えば、材料の応力−歪
線図を得るための試験では、試験片に加わる引張荷重
と、それによって発生する試験片の伸びとを同時にデー
タとして収集する必要がある。従って、データ収集を目
的として同時に２つ以上のセンサ系のセンサ信号が利用
されることがある。

【００３５】ディジタル信号処理装置１６は、複数のデ
ィジタル信号処理ユニット（ＤＳＰユニット）ＤＳＰ
０、ＤＳＰ１、ＤＳＰ２、…、ＤＳＰｎを含んでおり、
それらＤＳＰユニットは、各々が１枚ずつのマザーボー
ド上に完結したユニットとして構成されており、従っ
て、各々が互いに物理的に独立したユニットとして構成
されている。そして、各々のマザーボードは、ディジタ
ル信号処理装置１６のキャビネット内に挿脱自在に構成
されているため、ディジタル信号処理装置１６における
ＤＳＰユニットの交換ないし追加を容易に行うことがで
きる。

【００３６】既述のごとく、ある材料試験を実行する際
には、材料試験機１２の様々な出力量のうちの特定の１
つの出力量を制御対象物理量として選択する。この選択
した出力量の制御目標値が、その材料試験における材料
試験機１２の出力目標値である。

【００３７】ディジタル信号処理装置１６は、制御対象
装置である材料試験機１２の出力目標値を表すディジタ
ル目標値信号を発生する目標値信号発生部２２と、複数
のセンサ系１４−１〜１４−ｎの夫々に対応した複数の
フィードバックループ形成手段２４−１〜２４−ｎとを
含んでいる。

【００３８】目標値信号発生部２２は、１個のＤＳＰユ
ニット（ＤＳＰ０）で構成されており、また、フィード
バックループ形成手段も、その各々が１個ずつのＤＳＰ
ユニット（ＤＳＰ１〜ＤＳＰｎ）で構成されている。

【００３９】ＤＳＰ０〜ＤＳＰｎの各々は、ＣＰＵ、Ｒ
ＡＭ、ＲＯＭ、それに積和演算器等を組合せた一般的な
構成のものであり、本発明にとってはその具体的な構成
よりも機能の方が重要であるため、図１には各々のＤＳ
Ｐユニットの機能を、幾つかの機能要素を組合せたブロ
ック図で表してある。それら機能要素の夫々の機能を実
現するために、ハードウェアをどのように構成し、プロ
グラムをどのように作成すればよいかは、当業者には自
明のことであるため、それらについての説明は省略す
る。

【００４０】ＤＳＰ０は、既述のごとく、目標値信号発
生部２２を構成している。この目標値信号発生部２２が
発生するディジタル目標値信号ＤＳＳは、制御対象装置
である材料試験機１２の出力目標値を時間の関数として
表した信号であり、目標値信号線２８を介してＤＳＰ１
〜ＤＳＰｎへ供給されている。

【００４１】目標値信号発生部２２は、図１に接続記号
Ｃで模式的に示したようにホストコンピュータ１８によ
って制御されている。ディジタル目標値信号ＤＳＳは、
材料試験の実行に先立ってホストコンピュータ１８がＤ
ＳＰ０にロードする制御データや、材料試験の実行中に
ホストコンピュータ１８がＤＳＰ０へ発する指令に従っ
て、引張強度試験のためにランプ関数として発生される
こともあれば、疲労強度試験のために正弦関数として発
生されることもあり、更には、試験片の装着及び取外し
のためにその他の適当な関数として発生されることもあ
る。

【００４２】ＤＳＰ１〜ＤＳＰｎは、既述のごとく、そ
の各々がフィードバックループ形成手段２４−１〜２４
−ｎを構成している。それらＤＳＰ１〜ＤＳＰｎは、そ
の機能要素のパラメータ値に相違があるだけで、基本構
成は互いに同一である。それゆえ以下の説明では、それ
らＤＳＰユニットのうちの１つ（ＤＳＰ１）についてだ
け詳述する。

【００４３】ＤＳＰ１は、対応するセンサ系１４−１か
ら入力してくるアナログセンサ信号ＳＳ１をディジタル
信号に変換することでディジタルフィードバック信号Ｆ
ＢＳを発生するＡ／Ｄ変換部３２と、そのディジタルフ
ィードバック信号ＦＢＳと前述のディジタル目標値信号
ＤＳＳとの差分であるディジタル誤差信号ＥＲＳを発生
する誤差信号発生部３４と、そのディジタル誤差信号Ｅ
ＲＳに演算処理を施すことで制御信号ＣＴＳを発生する
演算処理部３６とを備えている。

【００４４】図２は、図１中のＡ／Ｄ変換部３２を更に
詳細に示したブロック図である。このＡ／Ｄ変換部３２
は、オートレンジ機能を備えたものであり、入力してく
るアナログセンサ信号のＳＳ１のレベルが所定の複数の
信号レベルレンジのうちのどの信号レベルレンジに含ま
れているかを判定してその判定結果を表す第１ディジタ
ル信号ＤＳ１を発生する信号レベル判定部４２と、入力
してくるアナログセンサ信号ＳＳ１を第１ディジタル信
号ＤＳ１に応じた増幅率で増幅する増幅率可変の増幅部
４４と、増幅部４４から出力されるアナログセンサ信号
ＳＳ１’をディジタル信号に変換することで第２ディジ
タル信号ＤＳ２を発生するＡ／Ｄコンバータ４６と、第
１ディジタル信号ＤＳ１と第２ディジタル信号ＤＳ２と
をマージすることでディジタルフィードバック信号ＦＢ
Ｓを発生するディジタル信号マージ部４８とを含んでい
る。

【００４５】Ａ／Ｄ変換部３２の以上の構成要素につい
て、具体的な数値例を挙げて説明すると次の通りであ
る。先ず、Ａ／Ｄコンバータ４６は、かりにこれを、入
力アナログ信号の対数値に比例する出力ディジタル信号
を発生する特性を有するものとした場合には、それによ
って、目標値信号発生部２２、誤差信号発生部３４、及
び演算処理部３６の構成が複雑化せざるを得ない。その
ため、このＡ／Ｄコンバータ４６としては、入力アナロ
グ信号に正比例する出力ディジタル信号を発生する、ご
く一般的な特性のＡ／Ｄコンバータを使用している。こ
のＡ／Ｄコンバータ４６の入力信号レンジは±１０．０
Ｖである。

【００４６】一方、センサ系１４−１は、その内部のセ
ンサアンプの増幅率及びオフセット量を適切に設定する
ことで、出力信号レンジが±１０．０Ｖになるようにレ
ンジ調節をしてあり、従って、センサ系１４−１の出力
信号レンジとＡ／Ｄコンバータ４６の入力信号レンジと
を揃えてある。また、Ａ／Ｄコンバータ４６の出力ディ
ジタル信号のビット数は、センサ系１４−１から出力さ
れるアナログセンサ信号ＳＳ１の絶対値が５．０Ｖを超
えているときには、そのアナログセンサ信号を十分な分
解能をもってＡ／Ｄ変換できるだけのビット数としてあ
り、従って、アナログセンサ信号ＳＳ１の絶対値が５．
０Ｖを超えているときには、増幅部４４による増幅は必
要でない。

【００４７】しかるに、Ａ／Ｄコンバータ４６は、入力
してくるアナログセンサ信号ＳＳ１を等間隔で量子化す
るため、アナログセンサ信号ＳＳ１の絶対値が小さくな
るにつれて、アナログセンサ信号ＳＳ１の大きさに対す
る量子化ステップの大きさが相対的に大きくなり、分解
能が悪化したのと同じ結果となる。そして、これによっ
てディジタルフィードバック信号ＦＢＳの信号品質が悪
化するのを防止するために、Ａ／Ｄコンバータ４６に、
信号レベル判定部４２、増幅部４４、及びディジタル信
号マージ部４８が付設されているのである。

【００４８】この具体例では、前述した所定の複数の信
号レベルレンジを、第１レンジから第８レンジまで次の
ように定めてある。先ず、第１レンジは、アナログセン
サ信号ＳＳ１の絶対値が５．０Ｖを超えて１０．０Ｖま
でのレンジであり、従って、Ａ／Ｄコンバータ４６のフ
ルレンジ（±１０．０Ｖ）の１／２を超えて１／１まで
に相当するレンジである。また、第２レンジは、アナロ
グセンサ信号ＳＳ１の絶対値が２．５Ｖを超えて５．０
Ｖまでのレンジであり、従って、Ａ／Ｄコンバータ４６
のフルレンジの１／４を超えて１／２までに相当するレ
ンジである。同様にして、第７レンジまでは、そのレン
ジ番号をＮとするとき、Ａ／Ｄコンバータ４６のフルレ
ンジの、２の−Ｎ乗を超えて、２の（１−Ｎ）乗までに
相当するレンジとして定めてある。第８レンジは、アナ
ログセンサ信号ＳＳ１の絶対値の下限が０．０Ｖで、上
限がＡ／Ｄコンバータ４６のフルレンジの１／１２８に
相当するレンジである。

【００４９】以上から明らかなように、この具体例で
は、所定の複数の信号レベルレンジの境界点を、対数目
盛上で等間隔となる位置に定めてある。信号レベルレン
ジの定め方は必ずしもこのようなものに限られないが、
ただし、入力してくるアナログセンサ信号ＳＳ１のレベ
ルが大きく変動した場合でも、出力されるディジタルフ
ィードバック信号ＦＢＳの量子化ノイズが略々一定にな
るようにするためには、このような定め方とすることが
望ましい。

【００５０】入力してくるアナログセンサ信号ＳＳ１の
レベルが、以上のように定めた第１レンジ〜第８レンジ
のうちの、どの信号レベルレンジに含まれているかを判
定するための信号レベル判定部４２は、例えば、入力ア
ナログ信号の対数値に比例する出力ディジタル信号を発
生する特性を有するＡ／Ｄコンバータで構成すれば、簡
明な構成にすることができる。

【００５１】また別法として、この信号レベル判定部４
２を、入力アナログ信号に正比例する出力ディジタル信
号を発生する、ごく一般的な特性のＡ／Ｄコンバータ
と、そのＡ／Ｄコンバータの出力を、対数目盛上で等間
隔に位置する複数の所定値と比較する比較器とで構成す
ることも可能である。また、その場合の比較器は、ハー
ドウェアで構成してもよく、或いは、ＤＳＰ１のＣＰＵ
に比較演算を実行させるようにして、ソフトウェアで実
現するようにしてもよい。

【００５２】アナログセンサ信号ＳＳ１のレベルがどの
信号レベルレンジに含まれているかの判定結果は、信号
レベル判定部４２から、第１ディジタル信号ＤＳ１とし
て出力される。この具体例では、第１ディジタル信号Ｄ
Ｓ１を、第１レンジ〜第８レンジを表すことができるよ
うに、３ビットのディジタル信号としている。

【００５３】入力してくるアナログセンサ信号ＳＳ１を
増幅する増幅率可変の増幅部４４は、例えば、ハードウ
ェアで構成した可変利得増幅器を使用して、その可変利
得増幅器のゲインを、ＤＳＰ１のＣＰＵが第１ディジタ
ル信号ＤＳ１に基づいて制御するように構成すればよ
い。また別法として、互いに増幅率の異なる複数の増幅
器を使用して、それら増幅器のうちの１つを、ＤＳＰ１
のＣＰＵが第１ディジタル信号ＤＳ１に基づいて選択す
るようにしてもよい。

【００５４】この具体例では、入力してくるアナログセ
ンサ信号ＳＳ１のレベルが第１レンジに含まれている場
合には増幅部４４の増幅率を「１」とし、それが第２レ
ンジに含まれている場合には増幅部４４の増幅率を
「２」とし、以下同様に、第Ｎレンジに含まれている場
合には増幅部４４の増幅率を２の（Ｎ−１）乗にするよ
うにしている。

【００５５】従って、アナログセンサ信号ＳＳ１は、そ
の絶対値が小さいほど、増幅部４４において大きな増幅
率で増幅されてＡ／Ｄコンバータ４６へ入力される。特
にこの具体例では、Ａ／Ｄ変換部３２へ入力してくるア
ナログセンサ信号ＳＳ１の絶対値がＡ／Ｄコンバータ４
６のフルレンジの１／２５６より大きければ、増幅部４
４において増幅されたアナログセンサ信号ＳＳ１’の絶
対値は常に５．０Ｖ以上になるため、Ａ／Ｄコンバータ
４６において十分な分解能をもってＡ／Ｄ変換される。

【００５６】Ａ／Ｄコンバータ４６が出力する第２ディ
ジタル信号ＤＳ２は、制御目的並びにデータ収集目的に
適した、十分な有効桁数を有するディジタル信号であ
り、この具体例では、これを１３ビットのディジタル信
号としてある。

【００５７】ディジタル信号マージ部４８は、３ビット
の第１ディジタル信号ＤＳ１と１３ビットの第２ディジ
タル信号ＤＳ２とをマージして、１６ビットのディジタ
ル信号を発生し、この１６ビットのディジタル信号が前
述のディジタルフィードバック信号ＦＢＳであって、Ａ
／Ｄ変換部３２から出力される。

【００５８】これより再び図１を参照して説明する。Ａ
／Ｄ変換部３２から出力されるディジタルフィードバッ
ク信号ＦＢＳは、誤差信号発生部３４に結合されている
と共に、図１に接続記号Ｄで模式的に示したようにホス
トコンピュータ１８にも結合されている。センサ系１４
−１が検出している材料試験機１２の出力量をデータと
して収集する必要があるときには、ホストコンピュータ
１８に、ディジタルフィードバック信号ＦＢＳを所望の
サンプリングレートでサンプリングさせて、このホスト
コンピュータ１８のメモリにそのデータを格納できるよ
うにしてある。従って、ＤＳＰ１とホストコンピュータ
１８とで、ディジタルフィードバック信号ＦＢＳをサン
プリングすることで制御対象装置の出力量をデータとし
て収集するデータ収集手段が構成されている。

【００５９】誤差信号発生部３４は、Ａ／Ｄ変換部３２
から出力されるディジタルフィードバック信号ＦＢＳの
数値と、目標値信号発生部２２から出力されるディジタ
ル目標値信号ＤＳＳの数値との差分であるディジタル誤
差信号ＥＲＳを発生する。誤差信号発生部３４は、ＤＳ
Ｐ１のＣＰＵに必要な演算を実行させることで、ソフト
ウェアだけで実現することも可能であり、また、適当な
ハードウェアを併用して構成することも可能である。

【００６０】演算処理部３６は、ディジタル誤差信号Ｅ
ＲＳに演算処理を施して、制御信号ＣＴＳを発生する。
この演算処理は、ホストコンピュータ１８が制御を実行
しようとする際に予めＤＳＰ１にロードする制御データ
に応じて、及び／または、ホストコンピュータ１８が制
御の実行中にＤＳＰ１へ送出する指令信号に応じて、様
々な演算として実行される。具体的には、例えば、指定
された定数をディジタル誤差信号に乗じるだけの簡単な
演算として実行されることもあれば、ディジタル誤差信
号の積分値と、微分値と、ディジタル誤差信号に定数を
乗じた数値とを、適宜組合せた和を算出する演算として
実行されることもある。

【００６１】容易に理解されるように、演算処理部３６
で実行する演算の形によってフィードバック制御システ
ム１０の制御特性が左右される。例えば、制御対象機構
の伝達関数が定数で近似でき、従ってその制御対象機構
が実質的に比例要素であるとと見なし得る場合に、もし
その演算が、ディジタル誤差信号ＥＲＳに定数を乗じる
だけのものであるならば、フィードバック制御システム
１０の制御特性は比例制御（Ｐ動作）となる。また、デ
ィジタル誤差信号ＥＲＳに定数を乗じた値と、ディジタ
ル誤差信号ＥＲＳの積分値と、ディジタル誤差信号ＥＲ
Ｓの微分値との和を求める演算を実行するならば、フィ
ードバック制御システム１０の制御特性は比例・積分・
微分制御（ＰＩＤ動作）となる。

【００６２】演算処理部３６が発生する制御信号ＣＴＳ
はディジタル信号である。ＤＳＰ１は、その制御信号Ｃ
ＴＳを、ディジタル信号からアナログ信号に変換するた
めのＤ／Ａコンバータ５２を備えている。これを備えて
いるのは、材料試験機１２がアナログ制御信号によって
制御されるように構成されているからである。従って、
制御対象装置がディジタル制御信号によって制御される
ように構成されている場合には、このＤ／Ａコンバータ
５２は不要である。

【００６３】ＤＳＰ１は更に、Ｄ／Ａコンバータ５２の
出力を制御線２６に選択的に結合するためのＡＮＤゲー
ト５４を備えており、このＡＮＤゲート５４は、図１に
接続記号Ｃで模式的に示したように、ホストコンピュー
タ１８によって制御されている。

【００６４】ホストコンピュータ１８は、各々がフィー
ドバックループ形成手段２４−１〜２４−ｎを構成して
いる複数のＤＳＰユニット（ＤＳＰ１〜ＤＳＰｎ）のう
ちのただ１つのＤＳＰユニットだけが制御線５６上へ制
御信号を送出できるように、それらＤＳＰユニットのＡ
ＮＤゲートを制御している。制御線２６上へ送出された
制御信号は材料試験機１２へ供給され、それによってフ
ィードバック制御ループが形成される。

【００６５】即ち、ホストコンピュータ１８は、実行し
ようとする材料試験において制御対象とすべき物理量を
適切な信号レンジで検出するセンサ系に対応したＤＳＰ
ユニットを選択して、そのＤＳＰユニットのＡＮＤゲー
トだけをオンにする。これによって、ディジタル信号処
理装置１６に含まれている複数のフィードバックループ
形成手段（即ち、ＤＳＰユニット）のうちの１つだけ
が、実際にフィードバックループを形成することにな
る。この場合、その他のフィードバックループ形成手段
は、制御目的には使用されないが、それらのＡ／Ｄ変換
部においては、夫々にディジタルフィードバック信号を
発生しており、それらディジタルフィードバック信号は
必要に応じてデータ収集目的に利用される。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載し
た本発明のフィードバック制御システムは、制御対象装
置と、該制御対象装置の出力量を表すアナログセンサ信
号を夫々が発生する複数のセンサ系と、前記複数のセン
サ系が夫々に発生するアナログセンサ信号を受取り前記
制御対象装置を制御するための制御信号を出力するディ
ジタル信号処理装置とを備えたフィードバック制御シス
テムにおいて、［Ｉ］前記ディジタル信号処理装置が、
前記制御対象装置の出力目標値を表すディジタル目標値
信号を発生する目標値信号発生部と、前記複数のセンサ
系の夫々に対応した複数のフィードバックループ形成手
段とを含んでおり、［II］前記複数のフィードバックル
ープ形成手段の各々が、（ａ）対応するセンサ系から入
力してくるアナログセンサ信号をディジタル信号に変換
することでディジタルフィードバック信号を発生するＡ
／Ｄ変換部と、（ｂ）前記ディジタルフィードバック信
号と前記ディジタル目標値信号との差分であるディジタ
ル誤差信号を発生する誤差信号発生部と、（ｃ）前記デ
ィジタル誤差信号に演算処理を施すことで前記制御信号
を発生する演算処理部とを備えており、［III］前記複
数のフィードバックループ形成手段のうちの１つが選択
されて制御目的に使用されるようにしてあり、［IV］前
記Ａ／Ｄ変換部が、入力してくるアナログセンサ信号の
レベルが所定の複数の信号レベルレンジのうちのどの信
号レベルレンジに含まれているかを判定してその判定結
果を表す第１ディジタル信号を発生する信号レベル判定
部と、入力してくるアナログセンサ信号を前記第１ディ
ジタル信号に応じた増幅率で増幅する増幅率可変の増幅
部と、前記増幅部から出力されるアナログセンサ信号を
ディジタル信号に変換することで第２ディジタル信号を
発生するＡ／Ｄコンバータと、前記第１ディジタル信号
と前記第２ディジタル信号とをマージして前記ディジタ
ルフィードバック信号を発生するディジタル信号マージ
部とを含んでいるものとした。

【００６７】このように、フィードバック制御システム
を構成しているディジタル信号処理装置が、複数のセン
サ系の夫々に対応した複数のフィードバックループ形成
手段を含んでおり、それらフィードバックループ形成手
段のうちの１つが選択されて制御目的に使用されるよう
にしてあり、それらフィードバックループ形成手段の夫
々のＡ／Ｄ変換部がオートゲイン機能を備えているよう
にしたため、制御対象装置が複数のセンサ系を備えてい
てそれらセンサ系が夫々に出力するアナログセンサ信号
を同時にＡ／Ｄ変換する必要があり、しかも、ディジタ
ル信号処理装置のＡ／Ｄ変換部がオートレンジ機能を備
えているという状況にも好適に対応することのできる、
大きな処理能力を有するフィードバック制御システムを
構成することができる。

【００６８】また、請求項２に記載した本発明のフィー
ドバック制御システムは、前記複数のフィードバックル
ープ形成手段の各々が、互いに物理的に独立したユニッ
トとして構成されている。

【００６９】そのため、制御対象装置のセンサ系が、そ
れまでのものとは異なる特性のセンサ系に交換された場
合や、制御対象装置に新たなセンサ系が追加された場合
にも容易に対応することができ、従って、融通性に優れ
たフィードバック制御システムを構成することができ
る。

【００７０】また、請求項３に記載した本発明のフィー
ドバック制御システムは、前記ディジタルフィードバッ
ク信号をサンプリングすることで前記制御対象装置の出
力量をデータとして収集するデータ収集手段を更に備え
ている。

【００７１】そのため、制御対象装置の出力量をデータ
として収集する際に、高速のサンプリングレートで高精
度のデータを容易に収集することができる。

【００７２】また、請求項４に記載した本発明のフィー
ドバック制御システムは、前記制御対象装置が材料試験
機であり、前記複数のセンサ系が前記材料試験機に装着
された試験片に関する複数の物理量の各々を検出するセ
ンサ系であるというものである。

【００７３】これは、請求項１、２または３に記載した
フィードバック制御システムを使用することによって特
に大きな利点が得られる好適な適用対象としての制御対
象装置を示したものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかるフィードバック制
御システムを示したブロック図である。

【図２】図１中のＡ／Ｄ変換部を更に詳細に示したブロ
ック図である。

【符号の説明】

１０ フィードバック制御システム １２ 油圧式材料試験機、 １４−１〜１４−ｎ センサ系、 １６ ディジタル信号処理装置 １８ ホストコンピュータ ２２ 目標値信号発生部 ２４−１〜２４−ｎ フィードバックループ形成手段 ３２ Ａ／Ｄ変換部 ３４ 誤差信号発生部 ３６ 演算処理部 ４２ 信号レベル判定部 ４４ 増幅部 ４６ Ａ／Ｄコンバータ ４８ 信号マージ部 ＤＳＰ０〜ＤＳＰｎ ＤＳＰユニット

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 制御対象装置と、該制御対象装置の出力
   量を表すアナログセンサ信号を夫々が発生する複数のセ
   ンサ系と、前記複数のセンサ系が夫々に発生するアナロ
   グセンサ信号を受取り前記制御対象装置を制御するため
   の制御信号を出力するディジタル信号処理装置とを備え
   たフィードバック制御システムにおいて、 ［Ｉ］前記ディジタル信号処理装置が、前記制御対象装
   置の出力目標値を表すディジタル目標値信号を発生する
   目標値信号発生部と、前記複数のセンサ系の夫々に対応
   した複数のフィードバックループ形成手段とを含んでお
   り、 ［II］前記複数のフィードバックループ形成手段の各々
   が、（ａ）対応するセンサ系から入力してくるアナログ
   センサ信号をディジタル信号に変換することでディジタ
   ルフィードバック信号を発生するＡ／Ｄ変換部と、
   （ｂ）前記ディジタルフィードバック信号と前記ディジ
   タル目標値信号との差分であるディジタル誤差信号を発
   生する誤差信号発生部と、（ｃ）前記ディジタル誤差信
   号に演算処理を施すことで前記制御信号を発生する演算
   処理部とを備えており、 ［III］前記複数のフィードバックループ形成手段のう
   ちの１つが選択されて制御目的に使用されるようにして
   あり、 ［IV］前記Ａ／Ｄ変換部が、入力してくるアナログセン
   サ信号のレベルが所定の複数の信号レベルレンジのうち
   のどの信号レベルレンジに含まれているかを判定してそ
   の判定結果を表す第１ディジタル信号を発生する信号レ
   ベル判定部と、入力してくるアナログセンサ信号を前記
   第１ディジタル信号に応じた増幅率で増幅する増幅率可
   変の増幅部と、前記増幅部から出力されるアナログセン
   サ信号をディジタル信号に変換することで第２ディジタ
   ル信号を発生するＡ／Ｄコンバータと、前記第１ディジ
   タル信号と前記第２ディジタル信号とをマージして前記
   ディジタルフィードバック信号を発生するディジタル信
   号マージ部とを含んでいる、 ことを特徴とするフィードバック制御システム。
2. 【請求項２】 前記複数のフィードバックループ形成手
   段の各々が、互いに物理的に独立したユニットとして構
   成されていることを特徴とする請求項１記載のフィード
   バック制御システム。
3. 【請求項３】 前記ディジタルフィードバック信号をサ
   ンプリングすることで前記制御対象装置の出力量をデー
   タとして収集するデータ収集手段を更に備えたことを特
   徴とする請求項１または２記載のフィードバック制御シ
   ステム。
4. 【請求項４】 前記制御対象装置が材料試験機であり、
   前記複数のセンサ系が前記材料試験機に装着された試験
   片に関する複数の物理量の各々を検出するセンサ系であ
   ることを特徴とする請求項１、２または３記載のフィー
   ドバック制御システム。