JP2006090761A

JP2006090761A - 振動試験装置

Info

Publication number: JP2006090761A
Application number: JP2004274329A
Authority: JP
Inventors: Kazuteru Yasuda; 和輝保田; Birei Dosono; 美礼堂薗; Hirotake Hirai; 洋武平井; Kensuke Ito; 健介伊藤; Makoto Iwasaki; 誠岩崎; Motohiro Kawafuku; 基裕川福
Original assignee: Hitachi Industries Co Ltd; Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd; Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2004-09-22
Filing date: 2004-09-22
Publication date: 2006-04-06

Abstract

【課題】
振動試験装置において、精度良く求まるパラメータを用いて推定外乱を算出する。
【解決手段】
振動試験装置８０は、サーボ弁６を有し、供試体を油圧で加振する油圧加振機１を備える。油圧加振機に作用する外乱を外乱推定補償装置５が推定補償する。油圧加振機を制御装置２が加振制御する。油圧加振機が有するピストン１ｂにより区画される油圧加振機のシリンダ１ｄ内の２つの空間１ｇ、１ｈの圧力を圧力検出手段１６ａ、１６ｂが検出する。油圧加振機に作用する加速度を加速度検出手段７が検出する。外乱推定補償装置は圧力検出手段が検出した圧力と加速度検出手段が検出した加速度に基づいて、油圧加振機に作用する外乱を推定補償する。
【選択図】図１

Description

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。

従来の振動試験装置の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の振動試験装置では、外乱の影響を補償するために、振動台のフィードバック制御装置内に、外乱推定補償装置を設けて、テーブルに加わる外乱を推定補償する。そして、外乱を打ち消す入力信号を加算器に加え、振動実験時の外乱の影響を低減している。

特開平１０−３１８８７９号公報

上記従来の外乱推定補償装置を備えた振動試験装置においては、推定外乱を算出する際、加振機に入力される加振信号と変位のフィードバック信号との偏差信号を用いているので、振動試験装置が有するサーボ弁の動特性や作動油の剛性を、精度よくモデル化することが必要となっている。ところで、サーボ弁の動特性は非線形性を有しているので、動特性を精度よく同定することが困難である。また、作動油剛性は温度や経年劣化により特性が変化するので、同定が困難である。その結果、推定外乱の誤差が大きくなる要因となる。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、精度良く求まるパラメータを用いて推定外乱を算出することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、振動試験装置が、サーボ弁を有し供試体を油圧で加振する油圧加振機と、この油圧加振機に作用する外乱を推定補償する外乱推定補償装置を有し油圧加振機を加振制御する制御装置と、油圧加振機が有するピストンにより区画される油圧加振機のシリンダ内の２つの空間の圧力を検出する圧力検出手段と、油圧加振機に作用する加速度を検出する加速度検出手段とを備え、外乱推定補償装置は圧力検出手段が検出した圧力と加速度検出手段が検出した加速度に基づいて、油圧加振機に作用する外乱を推定補償するものである。

そしてこの特徴において、外乱推定補償装置は加速度検出手段が検出した加速度と２つの圧力検出手段が検出した２つの圧力の差圧とから、ピストンと加振治具の質量と粘性抵抗係数とピストンの受圧部の面積とを用いて、油圧加振機に作用する外乱を推定補償するのがよく、外乱推定補償装置の出力を加算器を介して入力するサーボアンプを有し、このサーボアンプの出力をサーボ弁に指令信号として送信することが好ましい。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、振動試験装置が、加振機と、この加振機を制御する制御装置と、加振機の動作状態を計測する計測装置と、目標信号を生成する波形発生装置と、加振機に作用する外乱を推定補償する外乱推定補償装置とを備え、計測装置は加速度検出器と圧力検出器とを有し、外乱推定補償装置に圧力検出器が検出した圧力信号と加速度検出器が検出した加速度信号とを入力するものである。そして、外乱推定補償装置は、センサノイズやオフセットを除去可能なバンドパスフィルタを有することが望ましい。

本発明によれば、受圧面積などの変動の少ないパラメータを使って外乱を推定するので、精度よく外乱推定値を得ることができる。また、精度の良い外乱推定値を得たので、加振波形を忠実に振動台で再現することができる。

以下、本発明に係る振動試験装置の一実施例を、図面を用いて説明する。図１は、振動試験装置８０の制御ブロック図である。本発明に係る振動試験装置８０は、詳細を後述する外乱推定補償装置５を備えることが特徴の1つである。振動試験装置８０は、供試体を加振する加振機１と、この加振機１を制御する制御装置２と、加振機１の動作状態を計測する計測装置３とを有する。制御装置２には、波形発生装置４が生成した目標信号１０１が入力される。制御装置２は、加振機１に付加される外乱ｄを推定補償する外乱推定補償装置５を有する。

加振機１は、図１の紙面左右方向に図示しない供試体を加振する。供試体と加振機１との境に設けた加振治具１ｆには、加振機の加速度を検出する加速度センサ７が取付けられている。本実施例で示した加振機１は、油圧加振機である。中央部に受圧用のピストン１ｂを取付けた軸１ｃがシリンダ１ｄを貫通しており、一方の貫通側は、加振治具１ｆに接続されている。軸１ｃの他端側には、油圧加振機１の変位を検出する変位センサが取り付けられている。シリンダ１ｄ内には作動油が充満されており、ピストン１ｂにより仕切られたシリンダ１ｄ内の２つの空間１ｇ、１ｈ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１６ａ、１６ｂが設けられている。シリンダ１ｄの側部には、サーボ弁６が取り付けられており、２つの空間１ｇ、１ｈへの供給油圧を制御する。

各圧力センサ１６ａ、１６ｂが検出した圧力信号１０６ａ，１０６ｂは、計測装置３が有する圧力検出器１０に入力される。同様に、変位センサが検出した変位信号１０７は、計測装置３の変位計１１に、加速度センサ７が検出した加速度信号１０５は加速度計９に入力される。圧力検出器１０では、シリンダ１ｄの２つの空間１ｇ、１ｈの圧力差を求める。

このように構成した本実施例の振動試験装置８０の動作を、以下に説明する。波形発生装置４が、制御装置２に加振機１で再現する目標となる波形信号１０１を入力する。制御装置２に入力された波形信号１０１は減算器１２に送られ、計測装置３の変位計１１の出力信号１０８、加速度計９の出力信号１１０、および圧力検出器１０の出力信号１１１が減算される。この減算器１２では、さらに、加速度計９の出力信号を積分器１５に入力して得られた信号１０９も減算される。

減算器１２の出力信号１０２は、加算器１３に入力される。加算器１３では、加速度計９の出力信号と圧力検出器１０の出力信号が入力される外乱推定補償装置５の出力信号１１９が減算器１２の出力信号１０２に加算される。加算器１３の出力信号１０３は、サーボアンプ１４に入力される。サーボアンプ１４で、加算器１３の出力信号１０３が変換および増幅されて、サーボ弁６への指令信号１０４が生成される。

サーボ弁６に指令信号１０４が入力されると、サーボ弁６には図示しない油圧源から作動油が供給され、加振機１の軸１ｃが左右に駆動される。加振機１が駆動されるので、加振機１の先に取り付けた加振治具１ｆを介して供試体が左右に運動する。このとき、供試体が運動したので加振機１に反力が加わる。この反力は、加振機１に対する外乱ｄとなる。

図２に、外乱推定補償装置５における処理を、ブロック線図で示す。ブロック２６は外乱を推定するブロックである。ブロック２４は、センサノイズやオフセットを抑制するフィルタであり、ブロック２５はサーボ弁６から加振機１までの伝達特性の逆特性を備えた補償器である。

外乱推定ブロック２６の、動作は以下のとおりである。ピストン１ｂの運動方程式は、次式で表される。
Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３＝Ｍａ（式１）
ここで、Ｆ１は作動油がピストン１ｂを押す力であり、Ｆ２はピストン１ｂの摺動抵抗力、Ｆ３は供試体側からの外乱ｄ、Ｍはピストン１ｂと加振冶具１ｆの質量の和、ａはピストン１ｂおよび加振冶具１ｆの加速度である。(式１)から、外乱Ｆ３は次式で求めることができる。
Ｆ３＝Ｍａ−Ｆ１−Ｆ２（式２）
ここで、ピストン１ｂを押す力Ｆ１は圧力センサ１６ａ、１６ｂが検出した空間１ｇ、１ｈの圧力Ｐ_１ｇ，Ｐ_１ｈの差ΔＰ（＝Ｐ_１ｇ−Ｐ_１ｈ）に、ピストン１ｂの外径Ｄ_１と軸１ｃの外径ｄ_０から求めた受圧面積Ａａ（＝π／４（Ｄ_１ ^２−ｄ_０ ^２）の積である。また、摺動抵抗力Ｆ２はピストン１ｂの速度と粘性抵抗係数Ｃａｆの積である。この式２を、ブロック線図で表したのが、図２のブロック２６である。

ここで、受圧面積Ａａと質量Ｍは図面などから算出可能なパラメータであり、精度よく求められる。一方、粘性抵抗係数Ｃａｆは作動油の温度などにより変動するので、受圧面積Ａａや質量Ｍと比較して同定精度が劣る。しかしながら、補償が必要な大きさの外乱が発生するときは、一般の加振機ではＦ２が相対的に微小であり、粘性抵抗係数Ｃａｆの同定誤差が外乱推定精度に及ぼす影響は小さくなる。したがって、これまでの推定方法よりも高精度で外乱を推定することができる。

外乱推定補償装置５においては、以下に記載のように信号処理される。計測装置３が有する加速度計９の出力信号１１０ａと、圧力検出器１０の出力信号１１１ａが外乱推定補償装置５に入力される。入力された加速度信号１１０ａに、ピストン１ｂと加振治具１ｆの質量の和を乗じて出力信号１１４が得られる。加速度信号１１０ａは、一方で、積分器２２に送られ、速度信号１１２が得られる。得られた速度信号１１２にピストンの粘性抵抗係数Ｃａｆを乗じて、出力信号１１３を得る。この出力信号１１３と先に求めた出力信号１１４とを加算器１２０で加算し、出力信号１１５として減算器１２１に送信する。

一方、圧力検出器１０から送られた出力信号１１１ａには、ピストン１ｂの受圧面積Ａａが乗じられて、出力信号１１６が得られる。この出力信号１１６は、減算器１２１に送られる。減算器１２１では、圧力信号である出力信号１１６から加速度信号である出力信号１１５が減算され、推定外乱信号１１７が算出される。

算出された推定外乱信号１１７は、センサノイズを抑制するローパスフィルタ、あるいは、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Ｆ（Ｓ）に送られてフィルタリングされて出力信号１１８が得られる。フィルタＦ（Ｓ）を経過した出力信号１１８には、さらにサーボ弁６から加振機１までの伝達特性の逆特性Ｇ（ｓ）が演算され出力信号１１９が得られる。この出力信号１１９は、外乱推定補償装置５からの生成信号である。この出力信号１１９は、図１に示すように減算器１２の出力信号１０２と加算器１３で加算され、サーボアンプ１４に送られる。サーボアンプ１４では、サーボ弁６に外乱の影響を打ち消す指令信号１０４を送信する。

本実施例によれば、加振機２に供試体から加わる外乱ｄを外乱推定補償装置５で推定し、その推定値分だけ外乱ｄを補償するようにしているので、供試体から加わる外乱の影響を加振機２は受けない。その結果、どのような供試体を加振しても、一定の特性で目標波形を再現できる。また、従来の方法に比べて積分回数が減り積分誤差が少なくなる。その結果、精度良く外乱を推定できる。なお上記実施例においては、振動試験装置は振動台であり、加振治具は継手である。被加振体はテーブルと供試体である。

本発明に係る振動試験装置の一実施例の制御機構図。本発明の外乱推定補償装置の構成を表したブロック図。

符号の説明

１…加振機、２…制御装置、３…計測装置、４…波形発生装置、５…外乱推定補償装置、６…サーボ弁、７…加速度センサ、８…変位センサ、９…加速度計、１０…圧力検出器、１１…変位計、１２…減算器、１３…加算器、１４…サーボアンプ、１５…積分器、１６…圧力センサ、２２…積分器。

Claims

サーボ弁を有し供試体を油圧で加振する油圧加振機と、この油圧加振機に作用する外乱を推定補償する外乱推定補償装置を有し前記油圧加振機を加振制御する制御装置と、油圧加振機が有するピストンにより区画される油圧加振機のシリンダ内の２つの空間の圧力を検出する圧力検出手段と、油圧加振機に作用する加速度を検出する加速度検出手段とを備え、前記外乱推定補償装置は前記圧力検出手段が検出した圧力と加速度検出手段が検出した加速度に基づいて、前記油圧加振機に作用する外乱を推定補償することを特徴とする振動試験装置。
前記外乱推定補償装置は２つの圧力検出手段が検出した圧力の差圧と前記ピストンの受圧部の面積とに基づいて、前記油圧加振機に作用する外乱を推定補償することを特徴とする請求項１に記載の振動試験装置。
前記外乱推定補償装置の出力を加算器を介して入力するサーボアンプを有し、このサーボアンプの出力を前記サーボ弁に指令信号として送信することを特徴とする請求項２に記載の振動試験装置。
加振機と、この加振機を制御する制御装置と、加振機の動作状態を計測する計測装置と、目標信号を生成する波形発生装置と、加振機に作用する外乱を推定補償する外乱推定補償装置とを備え、前記計測装置は加速度検出器と圧力検出器とを有し、前記外乱推定補償装置に前記圧力検出器が検出した圧力信号と前記加速度検出器が検出した加速度信号とを入力することを特徴とする振動試験装置。
前記外乱推定補償装置は、センサノイズやオフセットを除去可能なバンドパスフィルタ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。