JP2009014371A - 外力補償を行う動電式振動試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試験体と試験体載置部との間の相互作用を減少させることができる動電式振動試験装置の提供
【解決手段】制御部１４１は、試験体載置部に載置された試験体が当該試験体載置部に対して与える相互作用、及び、ダンパーの減衰係数Ｃｄ及びバネの弾性係数Ｋｄに基づくモデル化誤差、を考慮した外力値ｄｆを算出する外力算出制御を実行する。また、動電式振動試験装置１では、変位センサ１３１から得られる試験体載置部の変位量ｘｓ及び加速度センサ１３３から得られる加速度値（ｄ^２ｘｓ／ｄｔ^２）、及び電流計１３５から得られる駆動コイル１２５の電流値Ｉを用いて外力算出処理を実行する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、動電式振動試験装置であって、特に、試験体と試験体載置部との間の相互影響を外力補償により排除するものに関する。

従来の振動試験装置の一つである油圧式振動試験装置を図１３に示す。油圧式振動試験装置１００は、サーボアンプ１０１、サーボ弁１０２、ピストン１０３、シリンダ１０４、静圧継手１０５、及び試験体載置テーブル１０６を有している。シリンダ１０４は、サーボアンプ１０１、サーボ弁１０２、ピストン１０３により構成されている。

試験体１０７を載置した試験体載置テーブル１０６は、静圧継手１０５によりシリンダ１０４と連結されている。シリンダ１０４は、サーボ弁１０２を介してサーボアンプ１０１によって駆動される。また、制御部１０８は、変位、速度、加速度、シンリンダ内圧差を用いる状態量フィードバック、及び、積分器によるフィードフォワード補償を実行する。

また、制御部１０８は、試験体１０７から試験体載置テーブル１０６に加わる反力を実時間で推定し、フィードフォワード的に相殺する処理を行っている。なお、試験体１０７から試験体載置テーブル１０６に加わる反力は、ピストン１０３と試験体載置テーブル１０６との間に外乱として作用することを考慮すると、反力は、ピストン内の差圧及び試験体載置テーブル１０６の加速度によって、算出することができる。

伊藤健介、他５名、「外乱オブザーバによる供試体反力補償」、日本機会学会論文集（Ｃ編）、社団法人日本機械学会、２００６年１月、第７２巻、第７１３号、P.61-P.67

前述の油圧式振動試験装置１００に対して動電式振動試験装置がある。動電式振動試験機は、磁界中に存在する駆動コイルを用いて力を発生することによって試験体の振動試験を行うものである。動電式振動試験装置は、油圧式振動試験装置に比べて加振力が小さいという特徴がある。このため、動電式振動試験装置には以下の問題点がある。前述のように動電式振動試験装置では、油圧式振動試験装置に比べて加振力が小さいため、振動試験装置と試験体との間の相互作用の影響が大きくなる、という問題点がある。また、動電式振動試験装置では、試験体の影響により、被制御系の特性が非線形性であることに起因する制御の困難性が大きくなる、という問題点がある。

そこで、本発明では、試験体と試験体載置との間の相互作用を減少させることができる動電式振動試験装置の提供を目的とする。

本発明に関する課題を解決するための手段及び発明の効果を以下に示す。

本発明に係る動電式振動試験装置は、試験体を載置する試験体載置部、及び、入力波形に基づいて前記試験体載置部を加振する加振部を有する被制御系、前記試験体載置部の変位量及び加速度値、さらに、前記加振部の電流値を獲得する振動状態量獲得部、前記試験体載置部における力のつり合いから、前記変位量、前記加速度値、及び前記電流値を用いて、少なくとも前記試験体と前記試験体載置部との間の相互作用による力を含む外力値として算出し、算出した前記外力値が前記試験体載置部に生じていないように前記入力波形を補正する制御部、を有する。

これにより、試験中における試験体の状態変化にともなう被制御系の特性変化があっても、当該特性や特性変化を外力値として算出することができる。つまり、当該特性変化を表す、前記試験体と前記試験体載置部との間の相互作用による力に影響されることなく、入力波形に基づいて前記試験体載置部を振動させることができる。

本発明に係る動電式振動試験装置では、前記制御部は、さらに、前記変位量、前記加速度値、及び前記電流値を用いて、前記試験体載置部に関する力のうち算出可能な力を算出し、当該試験体載置部における力のつり合いから、前記試験体載置部に関する力のうち前記変位量、前記加速度値、及び前記電流値を用いては算出不可能な力を、外力値として算出する
これにより、容易に外力値を算出することができる。

本発明に係る動電式振動試験装置では、前記制御部は、さらに、前記被制御系をモデル化する際に生ずるモデル化誤差を含む前記外力値を算出する。

これにより、モデル化誤差が生ずる場合であっても、前記試験体載置部を振動させることができる。

本発明に係る外力算出装置では、試験体を載置する試験体載置部、及び、入力波形に基づいて前記試験体載置部を加振する加振部を有する被制御系、前記試験体載置部の変位量及び加速度値、さらに、前記加振部の電流値を獲得する振動状態量獲得部、を有する動電式振動試験装置に対して、前記試験体載置部における力のつり合いから、前記変位量、前記加速度値、及び前記電流値を用いて、少なくとも前記試験体と前記試験体載置部との間の相互作用による力を含む外力値として算出する。

試験中における試験体の状態変化にともなう被制御系の特性変化があっても、当該特性や当該特性変化の影響を含む外力値を算出することができる。

本発明に係る動電式振動試験装置の制御方法では、試験体を載置する試験体載置部、及び、入力波形に基づいて前記試験体載置部を加振する加振部を有する被制御系、前記試験体載置部の変位量及び加速度値、さらに、前記加振部の電流値を獲得する振動状態量獲得部、を有する動電式振動試験装置に対して、前記試験体載置部における力のつり合いから、前記変位量、前記加速度値、及び前記電流値を用いて、少なくとも前記試験体と前記試験体載置部との間の相互作用による力を含む外力値として算出し、算出した前記外力値が前記試験体載置部に生じていないように前記入力波形を補正する。

これにより、試験中における試験体の状態変化にともなう被制御系の特性変化があっても、当該特性や特性変化を外力値として算出することができる。つまり、当該特性変化を表す、前記試験体と前記試験体載置部との間の相互作用による力に影響されることなく、入力波形に基づいて前記試験体載置部を振動させることができる。

本発明に係る動電式振動試験装置の外力算出方法では、試験体を載置する試験体載置部、及び、入力波形に基づいて前記試験体載置部を加振する加振部を有する被制御系、前記試験体載置部の変位量及び加速度値、さらに、前記加振部の電流値を獲得する振動状態量獲得部、を有する動電式振動試験装置に対して、前記試験体載置部における力のつり合いから、前記変位量、前記加速度値、及び前記電流値を用いて、少なくとも前記試験体と前記試験体載置部との間の相互作用による力を含む外力値として算出する。

試験中における試験体の状態変化にともなう被制御系の特性変化があっても、当該特性や当該特性変化の影響を含む外力値を算出することができる。

ここで、請求項に記載されている構成要素と実施例における構成要素との対応関係を示す。動電式振動試験装置は動電式振動試験装置１に、試験体載置部は試験体載置部１２１に、加振部は励磁コイル１２３、駆動コイル１２５及び励磁電源１２９に、振動状態獲得部は変位センサ１３１、加速度センサ１３３、電流計１３５に、制御部は制御部１４１に、それぞれ対応する。さらに、入力波形はドライブ波形に、試験体と試験体載置部との間の相互作用による力は反力ｄｆに、それぞれ対応する。

さらに、外力算出装置は動電式振動試験装置１のうち、制御部１４１のＣＰＵ４１１が実行する外力算出処理に関するものに対応する。

本発明における動電式振動試験装置１の実施例を以下において説明する。

1. 動電式振動試験装置１の構成
簡略化した動電式振動試験装置１の全体構成を図１に示す。動電式振動試験装置１は、動電式振動発生機１１１、変位センサ１３１、加速度センサ１３３、電流計１３５、及び制御部１４１を有している。

図１における動電式振動発生機１１１の構成を図１ａに示す。動電式振動発生機１１１は、主に試験体載置部１２１、励磁コイル１２３、駆動コイル１２５、サスペンションシステム１２７、及び励磁電源１２９（図示せず）から構成される。

励磁電源１２９を用いて励磁コイル１２３に励磁電流を流すことによって、磁界が、例えば矢印Ａ方向に、生じる。この磁界中に存在する駆動コイル１２５に駆動電流を流すと、加振力が発生する。加振力は試験体載置部１２１を矢印Ｂ方向に振動させる。試験体載置部１２１には試験体（図示せず）が取り付けられており、試験体載置部１２１が振動することによって試験体も振動する。

図１に戻って、変位センサ１３１は、所定の軸に沿った試験体載置部１２１の変位量を検出する。加速度センサ１３３は、試験体載置部１２１に生ずる加速度を検出する。電流計１３５は、駆動コイル１２５に流れる電流値を検出する。

制御部１４１をＣＰＵ４１１を用いて実現した場合のハードウェア構成を図１ｂに示す。制御部１４１は、ＣＰＵ４１１、メモリ４１２、ハードディスク４１３、ディスプレイ４１６、ＣＤ−ＲＯＭドライブ４１７、Ｄ／Ａ変換回路４１８及びＡ／Ｄ変換回路４１９を有している。

ＣＰＵ４１１は、ハードディスク４１３に記録されているオペレーティング・システム（ＯＳ）、外力算出プログラム、外力補償プログラム、ドライブ波形生成プログラム等その他のアプリケーションに基づいた処理を行う。メモリ４１２は、ＣＰＵ２１１に対して作業領域を提供する。ハードディスク４１３は、オペレーティング・システム（ＯＳ）、外力算出プログラム、外力補償プログラム、ドライブ波形生成プログラム等その他のアプリケーション、及び各種のパラメータを記録保持する。

ディスプレイ４１６は、ユーザインターフェイス等を表示する。ＣＤ−ＲＯＭドライブ４１７は、ＣＤ−ＲＯＭ４１０から外力算出プログラム、外力補償プログラム、ドライブ波形生成プログラム、目標波形を読み取る等、ＣＤ−ＲＯＭからのデータの読み取りを行う。Ａ／Ｄ変換回路４１８は、アナログ信号をデジタル信号へ変換する。Ｄ／Ａ変換回路４１９は、デジタル信号をアナログ信号へ変換する。

2. 動電式振動試験装置１の数学モデル
動電式振動試験装置１の機能モデルを図２に示す。ここで、図２に示す動電式振動試験装置１の機能モデルと図１ａに示す構成との対応関係を示す。試験体載置部２１は試験体載置部１２１に、駆動部２５は励磁コイル１２３、駆動コイル１２５及び励磁電源１２９に、減衰部２７及び弾性部２９はサスペンション１２７に、それぞれ対応する。

試験体１１と試験体載置部２１との間の相互作用を反力ｄｆとして、図２における動電式振動試験装置１の数学モデルを考える。なお、数学モデルを考えるにあたっては、サスペンションシステム１２７は１次の振動系で表すことができると仮定している。

試験体載置部２１の運動方程式は、以下の数（１）となる。

ここで、ｍｓは試験体載置部２１の質量を、ｘｓは試験体載置部２１の変位量を、Ｆｓは駆動部２５が試験体載置部２１を振動させる加振力を、Ｋｄは弾性部２９の弾性係数を、Ｃｄは減衰部２７の減衰係数を、ｄｆは試験体１１からの反力を、それぞれ表す。

試験体１１の運動方程式は、以下の数（２）となる。

ここで、ｍｌは試験体１１の質量を、ｘｌは試験体１１の変位量を、ｄｆは試験体載置部２１からの反力を、それぞれ表す。

また、駆動コイル１２５の等価回路を図３に示す。駆動コイル１２５に発生する起電力をＦｓ、逆起電力をＥｃとすると、起電力は以下の数（３）となり、逆起電力Ｅｃは以下の数（４）となる。

ここで、Ｂは駆動コイル１２５に与えられる磁束密度（つまり、励磁コイル１２３が発生する磁束密度）を、lは駆動コイル１２５の長さを、Ｉは駆動コイル１２５に流れる電流値を、それぞれ表す。

よって、図３の等価回路より、以下の数（５）が得られる。

ここで、Ｅは駆動コイル１２５に与えられる入力電圧を、Ｒ１は等価回路の抵抗値を、Ｌ１は駆動コイル１２５のインダクタンスを、それぞれ表す。

また、駆動コイル１２５への入力電圧Ｅは、ドライブ波形に基づく入力電圧ｕｓを振幅増幅（ゲインＧａ）することによって得られることから、以下の数（６）となる。

以上の数（１）〜数（６）から得られる動電式振動試験装置１のブロック図を図４に示す。

3. 制御部１４１の動作
制御部１４１の動作について図４ａを用いて説明する。制御部１４１のＣＰＵ４１１は、動電式試験体検査装置１の電源が入ると、各パラメータをハードディスク４１３からメモリ４１２にロードする（Ｓ４０１）。ＣＰＵ４１１は、ＣＤ−ＲＯＭドライブ４１７を介してＣＤ−ＲＯＭ４１０から目標波形を獲得すると（Ｓ４０３）、ドライブ波形生成処理を実行する（Ｓ４０５）。ＣＰＵ４１１は、ドライブ波形生成処理で生成したドライブ波形をＤ／Ａ変換回路４１８を介して動電式振動発生機１１１へ出力する（Ｓ４０７）。

ＣＰＵ４１１は、動電式振動発生機１１１の状態量を取得し、取得した状態量に基づく外力算出処理を実行する（Ｓ４０９）。外力算出処理では、試験体載置部に載置された試験体が当該試験体載置部に対して与える相互作用、及び、ダンパーの減衰係数及びバネの弾性係数に基づくモデル化誤差、を考慮した外力値（後述）を算出する。さらに、ＣＰＵ４１１は、外力算出処理によって算出した外力値を用いて、ドライブ波形を修正する外力補償処理を実行する（Ｓ４１１）。外力補償処理では、見かけ上、算出した外乱値が試験体の振動に影響を与えないようにドライブ波形を修正する。図４のブロック図に外力算出処理及び外力補償処理を加えたインナーループにおけるブロック図を図５に示す。

図４ａに戻って、ＣＰＵ４１１は、外力補償処理を行ったドライブ波形をＤ／Ａ変換回路４１８を介して動電式振動発生機１１１へ出力し（Ｓ４１３）、その結果得られた応答波形をメモリ４１２に一時記憶する（Ｓ４１５）。

ＣＰＵ４１１は、ドライブ波形の出力が終了するまでステップＳ４０９〜Ｓ４１５の処理を繰り返す。ＣＰＵ４１１は、ドライブ波形の出力が終了した後（Ｓ４１７）、ドライブ波形の修正命令を取得すると（Ｓ４１９）、ドライブ波形の修正をすべく、再度、ドライブ波形生成処理（Ｓ４０５）を実行する。

以下において、ドライブ波形生成処理（Ｓ４０５）、外力算出処理（Ｓ４０９）、及び外力補償処理（Ｓ４１１）を説明する。

3.1. 外力算出処理
（１）外力値の考え方
外力算出処理にあたっては、ａ）試験体載置部２１に載置された試験体が当該試験体載置部２１に対して与える影響、及び、ｂ）ダンパー２７の減衰係数Ｃｄ及びバネ２９の弾性係数Ｋｄに基づくモデル化誤差、を考慮する。以下において、上記ａ）、ｂ）をどのように考慮して、外力値を算出するのかを説明する。

ａ）試験体載置部に載置された試験体が当該試験体載置部に対して与える影響
試験体載置部２１は、載置している試験体１１からの相互作用として反力を受けている。試験体１１からの反力については、試験体１１を載置した試験体載置部２１を振動させることによって初めて明らかとなり、各種センサ等を用いて直接的には正確な値を算出することが困難である。したがって、実際に試験体１１を載置した試験体載置部２１を振動させることによって得られるデータを用いて反力を算出することが必要となる。動電式振動試験装置１では、変位センサ１３１から得られる試験体載置部２１の変位量及び加速度センサ１３３から得られる加速度値、及び電流計１３５から得られる駆動コイル１２５の電流値を用いて反力を算出する。

図５より、反力ｄｆは、以下の数（７）により算出できる。

なお、数（７）においては、（ｄ^２ｘｓ／ｄｔ^２）に関する係数項の分母にωｐが加算されている。これは、加速度（ｄ^２ｘｓ／ｄｔ^２）から速度を算出するためには、加速度（ｄ^２ｘｓ／ｄｔ^２）を積分する必要がある。加速度（ｄ^２ｘｓ／ｄｔ^２）を積分するにあたって、数（２）の（ｄ^２ｘｓ／ｄｔ^２）に関する係数項において、分母にｓが現れ、低周波領域におけるゲインが強調されることとなる。よって、この低周波領域のゲイン強調を調整すべく調節パラメータωｐを設定している。

なお、反力の算出にあたっては、変位量ｘｓ若しくは加速度（ｄ^２ｘｓ／ｄｔ^２）のどちらか一つと電流値Ｉを用いることも可能である。しかし、変位量ｘｓと電流値Ｉとを用いる場合では、高域のゲインが非常に高くなるので、高域において変位応答におけるノイズの影響が大きくなり、実用的でない、という問題がある。また、加速度（ｄ^２ｘｓ／ｄｔ^２）と電流値Ｉとを用いる場合では、低域のゲインが非常に高くるので、低域において変位応答におけるノイズの影響が大きくなり、実用的でない、という問題がある。

一方、試験体載置部２１の変位量ｘｓ、加速度値（ｄ^２ｘｓ／ｄｔ^２）及び駆動コイル２５を流れる電流値Ｉの三つのパラメータによって制御することによって、低域、高域におけるノイズの影響を解消することができるという特徴がある。

ｂ）ダンパーの減衰係数及びバネの弾性係数に基づくモデル化誤差
ダンパーの減衰係数及びバネの弾性係数に基づくモデル化誤差は、以下の理由により発生する。ダンパーの減衰係数Ｃｄやバネの弾性係数Ｋｄは、ある一つの値によって表される。これらの値は、ダンパーやバネの可動範囲のある範囲における値である。つまり、ダンパーの減衰係数Ｃｄやバネの弾性係数Ｋｄは、代表値であり、一般的にノミナル値と呼ばれている。このため、ノミナル値である減衰係数Ｃｄや弾性係数Ｋｄは、ダンパーやバネの実際の運動範囲の全てに適合するを代表する値ではない。ノミナル値であるダンパーの減衰係数Ｃｄ及びバネの弾性係数Ｋｄを用いて試験体載置部の運動方程式を導いていることから、試験体載置部において運動方程式が表す運動と実際の運動とは、全ての運動範囲において必ずしも一致するわけではない。つまり、実際の運動を運動方程式でモデル化する際には、両者の間に誤差（モデル化誤差）が生ずる。これが、モデル化誤差が生ずる理由である。

ここで、前述の反力ｄｆを考える。反力ｄｆは、直接的に算出することができないので、駆動コイル１２５の駆動力から試験体載置部に生ずる力、ダンパーの減衰力、及びバネの弾性力を減算することによって算出している。ダンパーの減衰力及びバネの弾性力はノミナル値である減衰係数Ｃｄ、弾性係数Ｋｄをそれぞれ用いて算出しているため、反力ｄｆは、実際に試験体載置部に生じている反力だけでなく、ダンパーの減衰力及びバネの弾性力に基づくモデル化誤差も包含した外乱値となっている。以降、図４における反力ｄｆを、外力値ｄｆとする。

このように外力値ｄｆを考えることによって、試験体が試験体載置部に与える影響に加えて、各種のモデル化誤差も考慮することができる。よって、各種のモデル化誤差を、試験体載置部が載置している試験体から受ける反力とは別に考える必要はない。

（２）外力算出処理のフローチャート
ＣＰＵ４１１が行う外力算出処理を図５ａに示すフローチャートを用いて説明する。ＣＰＵ４１１は、Ａ／Ｄ変換部４１７を介して、変位センサ３１から変位量、加速度センサ３３から加速度値、及び電流計３５から電流値を取得する（Ｓ５０１）。ＣＰＵ４１１は、ステップＳ５０１で取得した各センサーの値、及び、ステップＳ４０１（図４ａ参照）で取得した各パラメータの値を用いて、数（７）より外力値ｄｆを算出する（Ｓ５０３）。

（３）変位量、加速度値、電流値を用いることの効果
算出した外力値を排除するように、試験体１１及び試験体載置部２１の運動を制御することによって、試験中に、試験体１１及び試験体載置部２１の特性が変化し反力が変化した場合（例えば、試験体の一部が破損した場合）であっても、試験体１１及び試験体載置部２１の運動を制御することができる。また、ノミナル値を基準とした数学モデルでは実際の動電式振動試験装置１の全ての運動を表すことができない場合であっても、数学モデルと実際の運動との差をモデル化誤差として吸収することができるので、試験体１１及び試験体載置部２１の運動を制御することができる。

3.2. 外力補償処理
制御部４１は、図５ａのフローチャートにより算出した外乱値を用いて外力補償処理を行う。外力補償処理にあたり、パラメータＲ１、Ｌ１、Ｂ、Ｇａに対する摂動を加法的不確かさと考える。加法的不確かさを考慮した駆動コイル１２５のブロック図を図６に示す。また、Ｒ１、Ｌ１、Ｂ、Ｇａに対して設定する摂動範囲を図７に示す。

図６より、ドライブコイルの入力電圧Eから電流Iまでの伝達関数は、１／（Ｌｄｓ＋Ｒｄ）となる。１／（Ｌｄｓ＋Ｒｄ）の加法的不確かさの周波数応答の全てをカバーするように、ドライブコイルに対する不確かさの周波数重み関数Ｗｄを設定する。なお、考慮しきれていない不確かさが存在すると仮定する場合には、高周波帯域での重み関数Ｗｄのゲインを大きくするようにしてもよい。

また、図６より、増幅器に対する不確かさは、以下の数（８）となる。

さらに、図６より、磁束密度に対する不確かさは、以下の数（９）となる。

ここで、Ｇａ（チルダ）、Ｂ（チルダ）は実パラメータを、ｗｇ、ｗｂは重み係数を、それぞれ表している。

なお、ダンパーの減衰係数及びバネの弾性係数に存在するモデル化誤差については、前述の外力値によって考慮しているため、ここでは考慮しない。

図６に示すような不確かさを設定した駆動コイル１２５を制御するにあたって、ロバスト制御手法のμ−シンセシスを導入する。

まず、図８に示すフィードバック構造を考える。ここで、Ｋｆはフィードバック制御器を表している。また、ｄｆは、図５におけるの外力値を表している。以下において、図８における各パラメータについて説明する。

・外力の抑制性能に対する重み関数Ｗｓ
駆動コイル１２５の制御性能を改善するために、制御周波数帯のゲインをロバスト安定性が得られる中で大きくなるように、外力の抑制性能に対する重み関数Ｗｓを設定する。

・高周波に対する重み関数Ｗｕｈ
変位センサの一般的な伝達特性を図９に示す。図９から明らかなように、変位センサは、高周波帯域でのゲインが小さい。よって、変位センサは、高周波帯域でのＳＮ比が低いので、高周波帯域でのゲインが小さくなるように、高周波に対する重み関数Ｗｕｈを設定する。

・低周波に対する重み関数Ｗｕｌ
加速度センサの一般的な伝達特性を図１０に示す。図１０から明らかなように、加速度センサは、低周波帯域でのゲインが小さい。よって、加速度センサは、低周波帯域でのＳＮ比が低いので、低周波帯域でのゲインが小さくなるように、低周波に対する重み関数Ｗｕｌを設定する。

以上より、図８に示す閉ループを有するフィードバック構造における各重み関数を決定できたので、μ−シンセシスの枠組みで制御目的を取り扱うために図１１に示す一般化プラントＰを構成する。ここで、不確かさΔのブロック構造を以下のように定義する。

ここで、｜δｇ｜≦１、｜δｂ｜≦１、｜δｄ｜≦１、‖δｐ‖_∞≦１とする。Δｐは、ロバスト性能に対する仮想の不確かさブロックである。

次に、Ｐを以下のような２入力２出力の系として考える。

ＫｆとＰによる線形分数変換を以下の数（１２）のように定義する。

以上より、ロバスト性能を満たす条件は、以下の数（１３）に示す構造化特異値μに関する条件式で表すことができる。

インナーループ制御部４１による制御が数（１３）に示す条件を満たすようにＤ−Ｋイテレーションを実行する。Ｄ−Ｋイテレーションによって得られた結果によって、インナーループ制御部４１による制御を実行する。

4. ドライブ波形生成処理
4.1. インナーループ制御とアウターループ制御との併用
動電式振動試験装置１では、外力算出処理及び外力補償処理に基づくフィードバック制御（閉ループ制御）をインナーループとし、さらに、ドライブ波形生成処理に基づく目標追従制御（開ループ制御）をアウターループとする二重ループ制御を行っている。動電式振動試験装置１における二重ループ制御の概要を図１２に示す。

インナーループにおける外力算出処理及び外力補償処理では、試験体１１と試験体載置部２１との間に生ずる反力及び動電式振動試験装置１を数学モデルとする際に生ずるモデル化誤差を外乱値として算出し、算出した外乱値による影響が試験体載置部２１及び試験体１１に及ばないように、試験体載置部２１の振動を制御する。

一方、アウターループにおけるドライブ波形生成処理では、実際に試験体載置部２１に生ずる加速度を目標波形から得られる目標加速度に追従させることによって、目標波形による振動を試験体載置部２１において正確に再現するために、図５に示す伝達関数の逆特性を求め、求めた逆特性と目標波形とをたたみ込み積分し、動電式振動試験装置１の被制御系に入力するドライブ波形を生成する。なお、伝達関数の逆特性を求めるにあたっては、各パラメータについてのノミナル値を用いている。

このように、インナーループにおいて試験体１１の運動に対する外力値による影響を補償することによって、試験体１１と試験体載置部２１との間の反力及びモデル化誤差の影響を排除することができる。さらに、アウターループにおいて、伝達関数の逆特性を考慮したドライブ波形を生成し、応答波形に基づき修正を行うことによって、目標波形に対する目標追従性を高めることができる。

4.2. フローチャート
制御部１４１のＣＰＵ４１１が実行するドライブ波形生成処理を図１２ａを用いて説明する。ＣＰＵ４１１は、目標波形を獲得すると、ハードディスク４１３から被制御系の逆関数を取得する（Ｓ１１０１）。ここで、被制御系の逆関数について説明する。試験を始める前に被制御系の伝達関数を測定するために、所定の波形を入力して試験体１１及び試験体載置部２１を加振する試加振を実行する。試加振の結果から、被制御系の伝達関数を算出する。算出した伝達関数の逆関数を算出し、ハードディスク４１３に記憶しておく。

ＣＰＵ４１１は、目標波形を取得して最初にドライブ波形を生成する場合であるか否かを判断する（Ｓ１１０３）。ＣＰＵ４１１は、最初にドライブ波形を生成する場合であると判断すると、目標波形からドライブ波形を算出する（Ｓ１１０５）。ドライブ波形の算出にあたっては、目標波形に逆関数を乗算する。

一方、ＣＰＵ４１１は、ステップＳ１１０３において最初にドライブ波形を生成する場合でない、つまり、既にドライブ波形が生成され、１回若しくは数回の試験が行われていると判断すると、メモリ４１２から目標波形を取得する（Ｓ１１１０）。また、ＣＰＵ４１１は、直前の試験における応答波形をメモリ４１２から取得する（Ｓ１１１１）。

ＣＰＵ４１１は、取得した目標波形と応答波形との間の制御誤差を算出する（Ｓ１１１３）。ＣＰＵ４１１は、制御誤差を打ち消すような応答が発生するようなドライブ波形の補正項（ドライブ補正項）を、制御誤差を打ち消すような応答に逆関数を乗算することによって算出する（Ｓ１１１５）。ＣＰＵ４１１は、メモリ４１２に記憶されているドライブ波形、つまり前回の試験で用いたドライブ波形を取得する（Ｓ１１１６）。ＣＰＵ４１１は、算出したドライブ補正項をドライブ波形に加算することによってドライブ波形を修正し、新たなドライブ波形を算出する（Ｓ１１１７）。なお、ドライブ波形の補正項をドライブ波形に加算するにあたっては、ドライブ補正項に安全係数を乗算しておく。

ＣＰＵ４１１は、算出したドライブ波形をメモリ４１２へ一時記憶しておく（Ｓ１１１９）。

［その他の実施例］
（１）外力補償制御
前述の実施例１においては、外力補償制御にロバスト制御手法を用いたが、外力値を用いて外力補償ができるものであれば例示のもに限定されない。例えば、増幅器（Ｇａ）の入力から駆動部２５の出力までの逆特性と各種フィルタを用いて構成した簡易な制御系であってもよい。

（２）ダンパー２７、バネ２９
前述の実施例１においては、サスペンション１２７の機能としてダンパー機能、及びバネ機能を例示した。しかし、いずれか一方の機能としてもよい。また、他の機能を付加し、数学モデルを形成するようにしてもよい。

（３）外力値
前述の実施例１においては、外力値を算出するにあたり、駆動コイル１２５の加振力、ダンパー２７の減衰力、バネ２９の弾性力を考慮することしたが、他の力を考慮するようにしてもよい。

（４）変位センサ１３１、加速度センサ１３３、電流計１３５
前述の実施例１においては、被制御系の状態量として、試験体載置部１２１の変位量、加速度値、及び、駆動コイル１２５の電流値を例示したが、取得できる状態量であれば他の状態量であってもよい。

（５）ドライブ波形生成処理
前述の実施例１においては、ドライブ波形の修正にあたりドライブ補正項を用いることとしたが、他の方法によりドライブ波形を修正するようにしてもよい。

（６）インナーループ、アウターループ
前述の実施例１においては、アウターループは、応答波形が目標波形に追従するように、制御誤差に基づきドライブ波形を修正する一重の開ループを例示したが、複数のループを形成するようにしてもよい。この場合、各ループにおいて、制御に必要な処理を行わせるようにすればよい。インナーループについても同様である。

また、前述の実施例１においては、インナーループにおける処理は試験中にリアルタイムで行い、アウターループにおける処理は試験後に行うこととしたが、インナーループ及びアウターループ、いずれの処理についてもリアルタイムで行うようにしてもよい。

本発明における動電式振動試験装置１の全体構成図である。 動電式振動発生機１１１の構成図である。 制御部１４１をＣＰＵ４１１を用いて実現した場合のハードウェア構成図である。 図１の動電式振動試験装置１のモデルを示した図である。 図１の駆動コイル１２５の等価回路を示した図である。 動電式振動試験装置１のブロック図である。 制御部１４１の動作を示すフローチャートである。 動電式振動試験装置１のブロック図である。 外力算出処理を示すフローチャートである。 加法的不確かさを考慮した駆動コイル１２５のブロック図である。 Ｒ１、Ｌ１、Ｂ、Ｇａの摂動範囲を示す図である。 μ−シンセシスにおけるフィードバック構造を示す図である。 変位センサの一般的な伝達特性を示す図である。 加速度センサの一般的な伝達特性を示す図である。 一般化プラントＰを示す図である。 動電式振動試験装置１における二重ループ制御の概要を示す図である。 ドライブ波形生成処理を示すフローチャートである。 従来の振動試験装置を示す図である。

符号の説明

１・・・動電式振動試験装置
１１・・・試験体
１２１・・・試験体載置部
１２３・・・励磁コイル
１２５・・・駆動コイル
１２７・・・サスペンション
１２９・・・励磁電源
１３１・・・変位センサ
１３３・・・加速度センサ
１３５・・・電流計
１４１・・・制御部

Claims (6)

1. 試験体を載置する試験体載置部、及び、入力波形に基づいて前記試験体載置部を加振する加振部を有する被制御系、
   前記試験体載置部の変位量及び加速度値、さらに、前記加振部の電流値を獲得する振動状態量獲得部、
   前記試験体載置部における力のつり合いから、前記変位量、前記加速度値、及び前記電流値を用いて、少なくとも前記試験体と前記試験体載置部との間の相互作用による力を含む外力値として算出し、算出した前記外力値が前記試験体載置部に生じていないように前記入力波形を補正する制御部、
   を有する動電式振動試験装置。
2. 請求項１に係る動電式振動試験装置において、
   前記制御部は、さらに、
   前記変位量、前記加速度値、及び前記電流値を用いて、前記試験体載置部に関する力のうち算出可能な力を算出し、当該試験体載置部における力のつり合いから、前記試験体載置部に関する力のうち前記変位量、前記加速度値、及び前記電流値を用いては算出不可能な力を、外力値として算出すること、
   を特徴とする動電式振動試験装置。
3. 請求項２に係る動電式振動試験装置において、
   前記制御部は、さらに、
   前記被制御系をモデル化する際に生ずるモデル化誤差を含む前記外力値を算出すること、
   を特徴とする動電式振動試験装置。
4. 試験体を載置する試験体載置部、及び、入力波形に基づいて前記試験体載置部を加振する加振部を有する被制御系、
   前記試験体載置部の変位量及び加速度値、さらに、前記加振部の電流値を獲得する振動状態量獲得部、
   を有する動電式振動試験装置に対して、
   前記試験体載置部における力のつり合いから、前記変位量、前記加速度値、及び前記電流値を用いて、少なくとも前記試験体と前記試験体載置部との間の相互作用による力を含む外力値として算出する外力算出装置。
5. 試験体を載置する試験体載置部、及び、入力波形に基づいて前記試験体載置部を加振する加振部を有する被制御系、
   前記試験体載置部の変位量及び加速度値、さらに、前記加振部の電流値を獲得する振動状態量獲得部、
   を有する動電式振動試験装置に対して、
   前記試験体載置部における力のつり合いから、前記変位量、前記加速度値、及び前記電流値を用いて、少なくとも前記試験体と前記試験体載置部との間の相互作用による力を含む外力値として算出し、
   算出した前記外力値が前記試験体載置部に生じていないように前記入力波形を補正すること、
   を特徴とする動電式振動試験装置の制御方法。
6. 試験体を載置する試験体載置部、及び、入力波形に基づいて前記試験体載置部を加振する加振部を有する被制御系、
   前記試験体載置部の変位量及び加速度値、さらに、前記加振部の電流値を獲得する振動状態量獲得部、
   を有する動電式振動試験装置に対して、
   前記試験体載置部における力のつり合いから、前記変位量、前記加速度値、及び前記電流値を用いて、少なくとも前記試験体と前記試験体載置部との間の相互作用による力を含む外力値として算出する動電式振動試験装置の外力算出方法。

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