JP2002340763A - サーボ式材料試験機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試験片にダメージを与えることなく、かつ、
複雑な計算を必要とすることなく、系のゲインを最適に
設定することのできるサーボ式材料試験機を提供する。 【解決手段】 制御量の検出値が規定値となるときの負
荷機構１４に対する操作信号の大きさを記憶し、オープ
ンループ状態でその記憶されている信号を負荷機構１４
に対して供給するオフセット信号供給手段５３と、その
状態で矩形波状の設定信号を追加供給を開始し、制御量
の検出値がリミット値に達した時点で供給を停止する設
定信号供給手段５４を設け、信号が供給されている間の
制御量の検出値を応答データ記憶手段５５に記憶し、そ
の記憶内容を用いて系を同定して最適ゲインを決定する
演算手段５６を設けることで、試験片Ｗに作用する最大
負荷を規制しつつ応答データの採取を可能とし、試験片
Ｗにダメージを与える危険性を無くし、簡単な演算によ
って系の同定〜最適ゲインの決定を可能ならしめる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はサーボ式の材料試験
機に関する。

【０００２】

【従来の技術】サーボ式の材料試験機においては、一般
に、試験片に負荷を与えるための負荷機構に対して、制
御量として選択されている物理量、例えば負荷機構の変
位やその変位に伴って試験片に作用する荷重等、に係る
目標値を波形発生装置等から供給すると同時に、その制
御量の検出値をフィードバックすることにより、試験片
に対して目標値通りの負荷を加える。

【０００３】このようなフィードバックループを備えた
サーボ式材料試験機においては、フィードバックループ
のゲイン調整は、試験片を含めた系の安定性を得るうえ
で重要な作業となる。すなわち、図４に目標値として矩
形波を用いた場合の系の応答特性を例示するように、ゲ
インが大きすぎると過応答による発振現象が生じるとと
もに、ゲインが小さすぎると応答不足によって目標値に
対する追随性が悪くなり、いずれの場合も意図する試験
を行うことができなくなるため、常に最適なゲインに調
整をしたうえで試験を行う必要がある。

【０００４】このようなフィードバックループのゲイン
調整方法としては、従来、オープンループの状態で系に
ランダムノイズを入力して、その入力と出力（制御量の
検出値）との相関を求めて、系を同定した後に最適なゲ
インを求める方法が一般的に知られている。

【０００５】また、他のゲイン調整方法として、例えば
特開平１１−２０１８８８号公報に開示されているよう
に、目標値の信号を与えつつフィードバックループのゲ
インを変化させ、系の応答、つまり制御量の検出値の変
化を調べ、その検出値が目標値に最も近くなるゲインを
最適ゲインとして設定する方法が知られており、この方
法においては、ゲイン調整の自動化が容易である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した従
来のゲイン調整方法のうち、オープンループの状態で系
にランダムノイズを入力して入・出力の相関を求めて系
を同定し、最適ゲインを求める方法は、過大な負荷が試
験片に作用してダメージを与える可能性があるととも
に、系の同定のためにＦＦＴを用いて伝達関数を求める
など、計算の負荷が大きいという問題がある。

【０００７】一方、系に目標値を与えつつフィードバッ
クループのゲインを変化させてその応答の変化を調べ、
最適なゲインを求める方法においても、系のゲインを高
くしすぎると過応答によってハンチング現象が生じ、試
験片にダメージを与える可能性があり、しかも、この方
法では最適なゲインを求めるためにはその最適ゲインを
挟んで高低両側にゲインを変化させる必要があるため、
過応答に起因して試験片にダメージを与えてしまう可能
性は少なくない。

【０００８】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
もので、試験片にダメージを与えることなく、しかも複
雑な計算を行うことなく系のゲインを最適に設定するこ
とのできるサーボ式材料試験機の提供を目的としてい
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明のサーボ式材料試験機は、負荷機構を制御す
るためのフィードバックループを備えたサーボ式材料試
験機において、上記フィードバックループにおける制御
量の検出値があらかじめ設定された一定値となったとき
の上記負荷機構に対する操作信号の大きさを記憶する記
憶手段と、オープンループ状態で上記記憶手段に記憶さ
れている信号を上記負荷機構に対してオフセット信号と
して供給するオフセット信号供給手段と、そのオフセッ
ト信号が加えられている状態であらかじめ設定されてい
る矩形波状の設定信号を上記サーボ弁に対して追加供給
するとともに、その追加供給状態で上記制御量の検出値
があらかじめ設定されたリミット値に達した時点で当該
設定信号の供給を停止する設定信号供給手段と、その設
定信号の追加供給開始から停止までの間の上記制御量の
検出値を記憶する応答データ記憶手段と、その応答デー
タ記憶手段の記憶内容を用いてシステムを同定し、その
同定結果に基づいて系のゲインを最適に設定する演算手
段を備えていることによって特徴づけられる。

【００１０】本発明は、オープンループの状態で広い周
波数スペクトルを持つ矩形波を系に入力してその応答出
力を記憶して系の同定に供することで、所期の目的を達
成しようとするものである。

【００１１】すなわち、オープンループ状態で矩形波状
の設定信号を系に入力することにより、クローズドルー
プ状態で目標値を与えながらゲインを変化させる前記し
た後者の従来技術のようにハンチングを起こすことがな
いため、試験片にダメージを与える危険性がない。

【００１２】また、オープンループ状態で系にランダム
ノイズを加えて系の同定を行う前者の従来技術において
は、試験片に作用する荷重を制限できないが、本発明で
は、制御量があらかじめ設定されている一定値となるオ
フセット信号をオープンループ状態で供給し、その状態
で矩形波状の設定信号を追加供給して、制御量がリミッ
ト値に達した時点でその供給を停止するため、試験片に
作用する荷重を制限しており、試験片に過度なダメージ
を与える恐れがなく、しかも、ラプラス変換した式によ
り系をモデル化できるために、ＦＦＴを用いて系の伝達
関数を求めるなどの複雑な計算を行うことなく、系の同
定を行うことが可能となり、計算の負荷も少なくて済む
という利点がある。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施の形態について説明する。図１は本発明の実施の形
態の全体構成図であり、図２はそのシステム構成の詳細
を示すブロック図である。

【００１４】試験機本体１は、テーブル１１上に２本の
コラム１２ａ，１２ｂを設け、そのコラム１２ａ，１２
ｂによってクロスヨーク１３の両端部を支持した構造を
有している。

【００１５】テーブル１１には負荷機構１４が設けられ
ており、この負荷機構１４に下掴み具１５ａが装着され
ているとともに、前記したクロスヨーク１３に、ロード
セル２を介して上掴み具１５ｂが装着されており、試験
片Ｗはこれら上下の掴み具１５ａ，１５ｂにその両端部
が把持された状態で試験に供される。

【００１６】すなわち、上下の掴み具１５ａ，１５ｂに
両端部が把持された試験片Ｗは、負荷機構１４の駆動に
より負荷が加えられるとともに、試験片Ｗに作用する荷
重はロードセル２によって検出され、また、負荷機構１
４の変位は変位計４によって検出される。

【００１７】ロードセル２および変位計４による荷重並
びに変位の検出信号は制御装置５に刻々と取り込まれ
る。制御装置５は、図２に示すように、目標値信号を発
生するための波形発生装置５１、ＰＩＤ調節器５２、後
述するオフセット信号を記憶し、かつ、発生するオフセ
ット信号発生装置５３、同じく後述する設定信号を発生
する設定信号発生装置５４、制御量として設定されてい
る検出器、つまり上記したロードセル２もしくは変位計
４による制御量の検出信号を後述するタイミングで記憶
するデジタル記録装置５５、そのデジタル記録装置５５
の記憶内容を用いて系の同定並びに最適ゲインの調整を
行う演算器５６、系をクローズドループもしくはオープ
ンループの状態にするためのスイッチ５７、検出器（２
または４）による制御量の検出値をＰＩＤ調節器５２の
前段に帰還させるための加算点５８並びに帰還回路５９
を備えている。なお、これらのうちのいくつかは、実際
にはコンピュータとその周辺機器によって構成され、コ
ンピュータにインストールされているプログラムが有す
る機能であるが、図２においては、説明の便宜上、その
プログラムが有する機能ごとに一つのブロックで示して
いる。

【００１８】設定信号発生装置５４は、あらかじめ設定
された矩形波状の設定信号を記憶しているとともに、あ
らかじめ設定されている制御量の検出値のリミット値を
記憶しており、設定信号の出力状態においては、制御量
の検出値を常に監視し、その値がリミット値に達した時
点で設定信号の出力を停止するようになっている。

【００１９】次に、以上の本発明の実施の形態の動作に
ついて述べる。試験に先立ち、制御量を選択する。図１
の例では、ロードセル２により検出される荷重か、ある
いは変位計４により検出される変位のいずれかを選択す
る。これにより、図２における検出器のブロックがロー
ドセル２もしくは変位計４に設定される。

【００２０】通常の制御状態においては、波形発生装置
５１からの目標値信号がＰＩＤ調節器５２に供給される
とともに、スイッチ５７がＰＩＤ調節器５２側に倒さ
れ、これによって検出器（２または４）による制御量の
検出値が帰還回路５９並びに加算点５８を介してＰＩＤ
調節器５２の前段にフィードバックされ、ＰＩＤ調節器
５２ではその偏差をあらかじめ設定されているゲインに
基づいて調節して操作信号を生成し、負荷機構１４に供
給する。

【００２１】ゲイン調整に際しては、以下に示すように
クローズドループ状態からオープンループ状態に切り換
え、矩形波状の設定信号を供給して系の同定を行ったう
えで、最適ゲインを求める。図３にゲイン調整時におけ
るサーボ弁３への入力信号と出力信号（制御量の検出
値、以下、単に出力信号と称する）の関係をグラフで例
示する。

【００２２】さて、ゲイン調整に際しては、ＰＩＤ調節
器５２のゲインを低い状態に設定した状態で、まず、ス
イッチ５７を下側、つまりＰＩＤ調節器５２側に倒して
クローズドループ状態として、波形発生装置５１からあ
らかじめ設定されている一定値の信号を供給する。この
信号の大きさは、制御量の検出値があらかじめ設定され
た一定値、例えば荷重が０あるいはその近傍の小さい
値、となるような大きさとされ、この信号の大きさはオ
フセット信号発生装置５３に記憶される。そして、制御
量の検出値がその設定された一定値に達して負荷機構１
４が静止して定常状態に達した時点で、スイッチ５７を
上側に切り換える。これにより、系はオープンループ状
態となるとともに、オフセット信号発生装置５３から、
先に記憶している信号がオフセット信号としてサーボ弁
３に供給される。従って、このスイッチ５７の切り換え
時において、負荷機構１４は静止状態を保つ。図３のグ
ラフにおいては、この切り換え時点をｔ₀ で表してお
り、オフセット信号の供給状態における制御量の検出値
（出力信号）を０とした場合を表している。

【００２３】次に、設定信号発生装置５から矩形波状の
設定信号を負荷機構１４に対して追加供給する。この設
定信号の供給開始時点は図３においてｔ₁ で示され、こ
の時点から出力信号が立ち上がる。設定信号発生装置５
は前記したように出力信号を監視しており、その出力信
号がリミット値に達した時点で設定信号の追加供給を停
止し、オフセット信号のみの供給状態とする。この設定
信号の供給停止時点は図３においてｔ₂ で示され、この
ｔ ₁〜ｔ₂ 間の設定信号の追加供給中における出力信号
は、デジタル記憶装置５５に逐次記憶される。

【００２４】設定信号の供給停止から、系がある程度定
常化する所定時間が経過した後、スイッチ５７をＰＩＤ
調節器５２側に切り換える（ｔ₃ ）。これにより再びフ
ィードバックループが形成され、系は元の状態に戻る。

【００２５】以上の動作の後、演算器５６では、デジタ
ル記憶装置５５に記憶されている応答データを用いて、
系の同定を行い、その結果に基づいて系の最適ゲインを
決定してＰＩＤ調節器５２に設定する。系の同定に当た
っては、上記のようにオープンループで矩形波状の設定
信号を供給し、そのときの応答を得る方法を採用してい
るので、系はラプラス変換した下記の（１）式によって
モデル化できる。

【００２６】

【数１】

【００２７】従って、（１）式におけるＲ，Ｌ，Ｔを決
めることが、系を同定することになる。（１）式におけ
るＧ（ｓ）を時間領域に直すと、

【００２８】

【数２】

【００２９】で表すことができる。この（２）式におけ
るＧ（ｔ）とデジタル記憶装置５５に記憶されている実
際の応答を比較して、Ｒ，Ｌ，Ｔを決定する。Ｒ，Ｌ，
Ｔが決まれば、前もってシミュレーションで求めて記憶
している係数表に照らし合わせて、ＰＩＤの最適のゲイ
ンを決定することができる。

【００３０】以上の実施の形態において特に注目すべき
点は、試験片Ｗに作用する最大負荷を前もって設定した
うえで、オープンループ状態で矩形波状の設定信号を負
荷機構１４に供給し、そのときの応答から系を同定する
点であり、従って試験片に対してダメージを与える危険
性がなく、しかもＦＦＴを用いた伝達関数の算出といっ
た複雑な計算が不要であるため、演算器５６に大きな負
荷をかけることなく素早く系を同定して最適ゲインを決
定することが可能となる。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、制御量
の検出値があらかじめ設定された適宜値を採るオフセッ
ト信号をオープンループ状態のもとにサーボ弁に供給
し、その状態で矩形波状の設定信号の追加供給を開始
し、制御量があらかじめ設定されているリミット値に達
した時点でその設定信号の供給を停止するとともに、そ
の設定信号を供給している間の制御量の検出値を記憶し
て、その記憶内容に基づいて系の同定を行うので、試験
片に作用する負荷の最大値を規定することができるが故
に従来のように試験片に意図しないダメージを与える危
険性がなくなるとともに、系の同定に際してＦＦＴを用
いて伝達関数を求める必要がないが故に複雑な計算を必
要とせず、簡単な演算によって系を同定して最適ゲイン
を自動的に設定することができ、ゲイン調整を素早く行
うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の全体構成図である。

【図２】本発明の実施の形態のシステム構成の詳細を示
すブロック図である。

【図３】本発明の実施の形態のゲイン調整時におけるサ
ーボ弁３への入力信号と制御量の検出値の関係を示すグ
ラフである。

【図４】フィードバックループのゲインの大小と系の応
答の関係の一般的な例を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 試験機本体 １１ テーブル １２ａ，１２ｂ コラム １３ クロスヨーク １４ 負荷機構 １５ａ，１５ｂ 掴み具 ２ ロードセル ４ 変位計 ５ 制御装置 ５１ 波形発生装置 ５２ ＰＩＤ調節器 ５３ オフセット信号発生装置 ５４ 設定信号発生装置 ５５ デジタル記録装置 ５６ 演算器 ５７ スイッチ ５８ 加算点 ５９ 帰還回路 Ｗ 試験片

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 負荷機構を制御するためのフィードバッ
   クループを備えたサーボ式材料試験機において、 上記フィードバックループにおける制御量の検出値があ
   らかじめ設定された一定値となったときの上記負荷機構
   に対する操作信号の大きさを記憶する記憶手段と、オー
   プンループ状態で上記記憶手段に記憶されている信号を
   上記負荷機構に対してオフセット信号として供給するオ
   フセット信号供給手段と、そのオフセット信号が加えら
   れている状態であらかじめ設定されている矩形波状の設
   定信号を上記負荷機構に対して追加供給するとともに、
   その追加供給状態で上記制御量の検出値があらかじめ設
   定されたリミット値に達した時点で当該設定信号の供給
   を停止する設定信号供給手段と、その設定信号の追加供
   給開始から停止までの間の上記制御量の検出値を記憶す
   る応答データ記憶手段と、その応答データ記憶手段の記
   憶内容を用いてシステムを同定し、その同定結果に基づ
   いて系のゲインを最適に設定する演算手段を備えている
   ことを特徴とするサーボ式材料試験機。