JP2011226913A - 試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】 供試体の剛性の変化等により供試体を含むシステム全体の応答性が変化した場合であっても、測定信号の振幅を設定値となるように調整することが可能な試験機を提供する。
【解決手段】 供試体に対して所定の負荷を付与するための設定信号を発生する設定信号発生部５１と、供試体に生じた変位の測定信号を得るための変位計と、設定信号と測定信号とに基づいてフィードバック制御を実行することにより油圧アクチュエータを駆動するＰＩＤ制御部５３と、測定信号の振幅と設定信号の振幅との比である振幅比率Ｐｘに基づいて、ＰＤＩ制御部５３におけるフィードバック制御の制御パラメータのゲインを設定するゲイン設定部５２とを備える。
【選択図】 図２

Description

この発明は、供試体に対して繰り返して負荷を付与することにより、供試体に対する疲労試験または耐久試験を行う試験機に関する。

例えば、車両用部品等に対して耐久試験を行う場合や、試験片に対して疲労試験を行う場合などにおいては、車両用部品や試験片等の供試体に対して繰り返して負荷を付与するとともに、そのときの供試体の変位や、供試体に付与される荷重を測定することにより、試験を実行している。

このような疲労、耐久試験を行う場合においては、目標波形を形成する設定信号と、供試体に生じた変位または供試体に付与された荷重の測定信号とに基づいてフィードバック制御を行うことにより、供試体に負荷を付与するためのアクチュエータの駆動信号を生成している。そして、この場合においては、供試体に生じた変位または供試体に付与された荷重の測定値の振幅、すなわち、ピーク値が、予め設定した設定値と一致するように、アクチュエータの駆動信号を補正している。

この補正を行う場合には、フィードバック制御時のゲイン等は一定に維持したままで、設定信号の振幅や平均値を変更することで、測定値の振幅（ピーク値）を所定の値になるようにしている。このような構成を採用した場合には、ハンチングと呼称される振動を防止して、比較的安全に測定値の振幅を調整することが可能となる。しかしながら、試験中に、例えば、供試体の剛性が高くなる方向に変化した場合等には、このような調整方法を採用した場合であっても、システム全体の制御ゲインが高くなり、振動現象の発生リスクが高くなるという問題が生ずる。

なお、特許文献１には、試験片におけるバネ定数を常に推定し、推定したバネ定数に対応させて油圧サーボ系に対する制御ゲインを最適化補正するようにした材料試験機が提案されている。

特開平１１−６４１９１号公報

図４乃至図６は、設定信号１と測定信号２との関係を示す波形図である。なお、これらの図において、縦軸は、測定値が供試体に生じた変位である場合には長さ（ｍｍ）を示し、また、測定値が供試体に付与された荷重の大きさである場合には力の大きさ（ｋＮ）を示している。また、これらの図において横軸は、時間を示している。

図４に示す状態においては、測定信号２の振幅が設定信号１の振幅より小さくなっている。このときの測定信号２の振幅と設定信号１の振幅の比である振幅比率Ｐｘは、［１０：１５］程度となっている。このような場合には、測定信号２の振幅が設定信号１の振幅と一致するように、駆動信号の振幅や平均値を大きくする方向で調整する。

図５に示す状態においては、測定信号２の振幅が設定信号１の振幅より大きくなっている。このときの測定信号２の振幅と設定信号１の振幅の比である振幅比率Ｐｘは、［８：１０］程度となっている。このときには、測定信号２の振幅が設定信号１の振幅と一致するように、駆動信号の振幅や平均値を小さくする方向で調整する。しかしながら、試験時において供試体の剛性が高くなった場合等、各種の要因でシステム全体の応答性が変化した場合においては、設定信号の振幅や平均値を小さくする調整を行ったとしても、図６に示すように、ハンチングと呼称される振動現象が発生してしまい、正確な試験を実行することが不可能となる。

なお、特許文献１に記載された試験片におけるバネ定数を常に推定するという構成は、供試体として材料ではない物を使用する場合には、バネ定数という概念がそもそもなじまないものであり、さらに、バネ定数以外の要因によりシステム全体の応答性が変化した場合には、これに対応することが不可能となる場合がある。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、供試体の剛性の変化等により供試体を含むシステム全体の応答性が変化した場合であっても、測定信号の振幅を設定値となるように調整することが可能な試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、供試体に対して繰り返して負荷を付与することにより、供試体に対する疲労試験または耐久試験を行う試験機において、前記供試体に対して所定の負荷を付与するための設定信号を発生する設定信号発生手段と、前記供試体に生じた変位、または、前記供試体に付与された荷重の測定信号を得るための測定手段と、前記設定信号と前記測定信号とに基づいてフィードバック制御を実行することにより、負荷アクチュエータを駆動する制御部と、前記測定信号の振幅と前記設定信号の振幅との比である振幅比率Ｐｘに基づいて、前記制御部におけるフィードバック制御の制御パラメータのゲインを設定するゲイン設定手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記制御部は、ＰＩＤ制御を利用してフィードバック制御を実行するものであり、前記ゲイン設定手段は、ＰＩＤ制御における比例制御のパラメータのゲインを設定する。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記ゲイン設定手段は、前記振幅比率Ｐｘを経時的に測定し、この振幅比率Ｐｘの比に基づいて、ＰＩＤ制御における比例制御のパラメータのゲインを設定する。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記ゲイン設定手段は、経時的に測定した振幅比率Ｐｘと初期振幅比率Ｐ０との比を、ＰＩＤ制御における比例制御のパラメータのゲインに乗算することにより、ＰＩＤ制御における比例制御のパラメータのゲインを設定する。

請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記ゲイン設定手段は、経時的に測定した振幅比率Ｐｘと初期振幅比率Ｐ０との比よりも小さい値を、ＰＩＤ制御における比例制御のパラメータのゲインに乗算することにより、ＰＩＤ制御における比例制御のパラメータのゲインを設定する。

請求項１乃至請求項３に記載の発明によれば、供試体の剛性の変化等により供試体を含むシステム全体の応答性が変化した場合であっても、振幅比率Ｐｘに基づいてフィードバック制御の制御パラメータのゲインを設定することにより、測定信号の振幅を設定値となるように調整することが可能となる。このため、振動現象の発生を防止して、供試体に対する疲労試験または耐久試験を正確に実行することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、測定信号の振幅が速やかに設定値となるように、その調整を行うことが可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、測定信号の振幅を急激に変化させることなく、測定信号の振幅が徐々に設定値となるように、その調整を行うことが可能となる。

この発明に係る試験機の概要図である。 制御装置５０内部のフィードバック制御系を示す機能ブロック図である。 この発明に係る試験機の試験動作を示すフローチャートである。 設定信号１と測定信号２との関係を示す波形図である。 設定信号１と測定信号２との関係を示す波形図である。 設定信号１と測定信号２との関係を示す波形図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る試験機の概要図である。

この試験機は、油圧アクチュエータ３１を介して車両用部品や試験片等の供試体３８に連続して負荷を付与することより疲労試験を行うものである。制御装置５０からは、この油圧アクチュエータ３１の駆動信号が送信される。このデジタル駆動信号は、Ｄ／Ａ変換器４１でアナログ信号に変換された後、増幅器３５で増幅されて、油圧アクチュエータ３１のサーボ弁３２に入力される。供試体３８の変位量は変位計３３で検出され、その測定信号は、増幅器３６で増幅されてＡ／Ｄ変換器４２でデジタル測定信号に変換された後、制御装置５０に入力される。制御装置５０は、測定信号と設定信号との差分を算出し、その差分に基づくデータをサーボ弁３２にフィードバックすることにより油圧アクチュエータ３１を駆動制御する。

また、供試体３８の変位量に基づいてフィードバック制御を行う変位制御ではなく、供試体３８に付与される荷重に基づいてフィードバック制御をおこなう荷重制御を採用することもできる。この場合においては、供試体３８に負荷される荷重は荷重計３４により検出される。荷重測定信号は、増幅器３７で増幅され、Ａ／Ｄ変換器４３でデジタル測定信号に変換された後、制御装置５０に入力される。制御装置５０は、荷重測定信号と設定信号との差分を算出し、その差分に基づくデータをサーボ弁３２にフィードバックすることにより、油圧アクチュエータ３１を駆動制御する。

図２は、制御装置５０内部のフィードバック制御系を示す機能ブロック図である。

この制御装置５０は、設定信号発生部５１と、ゲイン設定部５２と、ＰＩＤ制御部５３と、ピーク値検出回路５４と、ピーク値記憶回路５５とを備える。また、この制御装置５０は、図１に示す変位計３３からの変位信号または荷重計３４からの荷重信号を測定信号として選択するスイッチ５６を備える。

この制御装置５０においては、設定信号発生部５１から目標波形を形成する設定信号が発生する。ピーク値記憶回路５５は、この設定信号のピーク値を記憶する。また、図１に示す変位計３３からの変位信号または荷重計３４からの荷重信号は、スイッチ５６を介して、測定信号としてピーク値検出回路５４に入力される。そして、減算器６４により、ピーク値検出回路５４により検出された測定信号のピーク値と、ピーク値記憶回路５５に記憶された設定信号のピーク値との差異が求められる。しかる後、測定信号のピーク値と設置信号のピーク値との差異に基づき、偏差器６２において、設定信号発生部５１から発生した設定信号に対して、その振幅や平均値を変更することにより、新たな設定信号を形成する。

変更後の新たな設定信号は、減算器６３において、スイッチ５６を介して入力される測定信号と比較される。そして、設定信号と測定信号との差異がＰＩＤ制御部５３に入力され、ＰＩＤ制御部５３はこれらの信号に基づいて、図１に示すサーボ弁３２を制御するための駆動信号を作成する。

また、除算器６１においては、ピーク値検出回路５４により検出された測定信号のピーク値と、変更後の新たな設定信号のピーク値とに基づいて、測定信号の振幅と設定信号の振幅との比である振幅比率Ｐｘを演算する。この振幅比率Ｐｘは、一定時間ごとに演算され、ゲイン設定部５２に入力される。このゲイン設定部５２においては、振幅比率Ｐｘの変化に基づいて、ＰＩＤ制御部５３においてＰＩＤ制御を実行するときの、ＰＩＤ制御における比例制御のパラメータのゲインを設定する。決定された比例制御のパラメータのゲインは、ＰＩＤ制御部５３に送信され、その後のＰＩＤ制御に使用される。

次に、上述した試験機を利用した疲労試験または耐久試験の動作について説明する。図３は、この発明に係る試験機の試験動作を示すフローチャートである。

この試験機において材料試験を行うときには、最初に、初期設定を行う（ステップＳ１）。この初期設定においては、図２に示す基本信号発生部５１から発生させる基本信号の設定や、図１に示す変位計３３からの変位信号または荷重計３４からの荷重信号のいずれの信号を測定信号として使用するか等の設定を行う。そして、初期設定が終了すれば、試験を開始する（ステップＳ２）。

試験開始後は、図２に示す偏差器６２を通過した最新の設定信号に基づいて設定信号のピーク値を検出することにより、設定信号の振幅を取り込むとともに（ステップＳ３）、ピーク値検出回路５４により測定信号のピーク値を検出することにより、測定信号のピーク値を取り込む（ステップＳ４）。そして、除算器６１により、測定信号の振幅と設定信号の振幅との比である振幅比率Ｐｘを演算する。演算された振幅比率Ｐｘは、試験開始後、初期振幅比率Ｐ０として一度だけ記憶される（ステップＳ５）。初期振幅比率Ｐ０が記憶されるタイミングは、ピーク値が安定した後としても良い。負荷条件が変更になったとき、初期振幅比率Ｐ０は再計算される。

次に、測定信号の振幅とピーク値記憶回路５５に記憶した設定信号の振幅とが一致しているか否かを判定する（ステップＳ６）。測定信号の振幅と設定信号の振幅とが一致している場合には、そのまま試験を継続する。一方、測定信号の振幅と設定信号の振幅とに差異がある場合には、測定信号の振幅が設定信号の振幅と一致するように、設定信号の振幅や平均値を調整する（ステップＳ７）。

また、これに引き続いて、現時点での振幅比率Ｐｘと、初期振幅比率Ｐ０との比が、設定値Ｃより大きいか否かを判定する（ステップＳ８）。そして、図２に示すゲイン設定部５２において、この経時的な振幅比率Ｐｘの比に基づいて、パラメータゲインを設定する（ステップＳ９）。すなわち、油圧アクチュエータ３１を駆動するためのサーボ弁３２への駆動信号は、ＰＩＤ制御部５３により、ＰＩＤ制御される。このＰＩＤ制御における比例成分（Ｐ成分）のパラメータを、経時的に演算した振幅比率Ｐｘの比に基づいて設定する（ステップＳ９）。そして、ステップＳ３に戻り、試験終了まで以上の動作を繰り返す（ステップＳ１０）。

このとき、この発明の第１の実施形態においては、現時点での振幅比率Ｐｘと記憶された初期振幅比率Ｐ０との比を、そのまま、ＰＩＤ制御における比例成分（Ｐ成分）のパラメータのゲインに対して乗算する。このような構成を採用した場合には、ＰＩＤ制御における制御ゲインをすぐに必要な値に設定することができることから、測定信号の振幅が速やかに設定値となるようにその調整を行うことが可能となる。

また、この発明の第２の実施形態においては、現時点での振幅比率Ｐｘと初期振幅比率Ｐ０との比よりも小さな値を、ＰＩＤ制御における比例成分（Ｐ成分）のパラメータのゲインに対して乗算する。このような構成を採用した場合には、ＰＩＤ制御における制御ゲインを緩やかに変更することが可能となる。そして、制御ゲインの変更の後、上述した動作を繰り返すことにより、測定信号の振幅を急激に変化させることなく、測定信号の振幅が徐々に設定値となるように、その調整を行うことが可能となる。

なお、この振幅比率Ｐｘの比を利用したＰＩＤ制御におけるパラメータのゲインの調整は、予め設定した一定時間ごとに実行される。この時間間隔は、供試体の性質や、試験内容に応じて、設定される。

上述した実施形態においては、ＰＩＤ制御における比例成分（Ｐ成分）のパラメータのゲインのみを調整しているが、積分成分（Ｉ成分）や微分成分（Ｄ成分）のパラメータについても、比例成分と同時に調整するようにしてもよい。

３１ 油圧アクチュエータ
３２ サーボ弁
３３ 変位計
３４ 荷重計
３８ 供試体
５０ 制御装置
５１ 設定信号発生部
５２ ゲイン設定部
５３ ＰＩＤ制御部
５４ ピーク値検出回路
５５ ピーク値記憶回路
５６ スイッチ
６１ 除算器
６２ 偏差器
６３ 減算器
６４ 減算器

Claims (5)

1. 供試体に対して繰り返して負荷を付与することにより、供試体に対する疲労試験または耐久試験を行う試験機において、
   前記供試体に対して所定の負荷を付与するための設定信号を発生する設定信号発生手段と、
   前記供試体に生じた変位、または、前記供試体に付与された荷重の測定信号を得るための測定手段と、
   前記設定信号と前記測定信号とに基づいてフィードバック制御を実行することにより、負荷アクチュエータを駆動する制御部と、
   前記測定信号の振幅と前記設定信号の振幅との比である振幅比率Ｐｘに基づいて、前記制御部におけるフィードバック制御の制御パラメータのゲインを設定するゲイン設定手段と、
   を備えたことを特徴とする試験機。
2. 請求項１に記載の試験機において、
   前記制御部は、ＰＩＤ制御を利用してフィードバック制御を実行するものであり、
   前記ゲイン設定手段は、ＰＩＤ制御における比例制御のパラメータのゲインを設定する試験機。
3. 請求項２に記載の試験機において、
   前記ゲイン設定手段は、前記振幅比率Ｐｘを経時的に測定し、この振幅比率Ｐｘの比に基づいて、ＰＩＤ制御における比例制御のパラメータのゲインを設定する試験機。
4. 請求項３に記載の試験機において、
   前記ゲイン設定手段は、経時的に測定した振幅比率Ｐｘと初期振幅比率Ｐ０との比を、ＰＩＤ制御における比例制御のパラメータのゲインに乗算することにより、ＰＩＤ制御における比例制御のパラメータのゲインを設定する試験機。
5. 請求項３に記載の試験機において、
   前記ゲイン設定手段は、経時的に測定した振幅比率Ｐｘと初期振幅比率Ｐ０との比よりも小さい値を、ＰＩＤ制御における比例制御のパラメータのゲインに乗算することにより、ＰＩＤ制御における比例制御のパラメータのゲインを設定する試験機。