JP2013257279A - 疲労試験機の振動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試験体Ｓに加振機２で変位を与えることで試験体Ｓに繰り返し荷重を加えて疲労試験を行う疲労試験機において、速やかに目標荷重振幅まで到達させ、かつ、ＡＧＣ機能により荷重振幅を安定に制御する。
【解決手段】低速制御部１３により、設定された周波数よりも十分長い周期に相当する低速度で、試験体Ｓに変位を与える。センサ部３により試験体Ｓから得られる実荷重が目標荷重振幅になるまで変位を変化させる。試験体Ｓから得られる実変位の信号と実荷重の信号とから試験体Ｓにおける変位と荷重の特性の傾きを求める。傾きを基にＡＧＣ機能のＡＧＣゲインを求める。また、目標荷重振幅での制御量としての変位を求める。その後、求めたＡＧＣゲインと目標荷重振幅での制御量としての変位とに基づいて、目標荷重振幅と周波数で繰り返し荷重を加え、ＡＧＣ機能で調整しながら疲労試験を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、試験体に繰り返し荷重を加えて疲労試験を行う疲労試験機に係わり、詳細には、加振機の振動を制御して試験体に繰り返し変位を与えることで荷重を加えるとともに、オートゲインコントロール（ＡＧＣ）機能により所定の荷重である目標荷重振幅を制御するようにした疲労試験機の振動制御装置に関する。

従来、疲労試験システムのフィードバック制御は、例えば図４のブロック図で示される。この疲労試験システムでは、サーボ制御装置１０に設定した変位または荷重などの設定値に応じて、加振機２０により変位または荷重などを試験体Ｓに加えることができる。試験の目的に合わせて、フィードバックする信号を、変位から荷重などに切り替えることが可能である。

さらにサーボ制御装置１０は例えば図５のブロック図で示される。この試験システムは、設定した変位または荷重の設定値に対して、発振器等で正弦波などの繰り返し信号を発生し、これを制御器を介して加振機２０に与えて、荷重を試験体Ｓに加えて疲労強度を調べる疲労試験機である。このような疲労試験機は、通常、試験は一定周期、一定振幅で行う。この場合、発振器が一定振幅の正弦波信号などを生成し、その信号を設定値として制御量（変位信号）との差異を制御器に入れて操作量を加振機２０に加えるフィードバックを構成する。このとき制御器は、比例制御やＰＩＤ制御などを行う。

一定周波数で繰返し荷重を加える試験では、目標荷重振幅を与えて試験を行うが、荷重振幅の制御は高精度が要求される。試験機で荷重振幅が変動する原因は、主に試験体の特性変化である。破壊試験では、試験体の破壊が進んだり変形が生じると、システムの特性が変化するため実際の荷重振幅に変動が起こる。このため、試験体Ｓから得られる荷重信号により振幅検出器で荷重振幅を検出し、オートゲインコントロール（ＡＧＣ）を行う。

特開２０１０−１５１７７２号公報 特開昭５９−１００９１８号公報

前記のように、疲労試験では、試験体に加える変位を制御して試験体に所定の荷重を加え、この制御を所定の周波数で繰り返して、試験体の疲労試験が行われる。また、この繰り返す周波数を周期的に変化させる「周波数スイープ制御」も行われる。しかし、このように変位を制御対象するような場合、どれだけの変位でどれだけの荷重（目標荷重振幅）が加わるのかは試験体の特性によるので、事前には解らない。このため、従来はオートゲインコントロール（ＡＧＣ）機能を利用し、探りながら振幅を上げていくなどの調整を行っている。しかし、この方法では、ＡＧＣゲインが小さいと目標値（目標荷重振幅）に到達するのに時間がかかり、ＡＧＣゲインを大きくすると荷重振幅の安定性が損なわれるという問題がある。

本発明は、疲労試験機の振動制御装置において、変位を制御して試験体に荷重を加えるような疲労試験において、速やかに目標荷重振幅まで到達させ、かつ、荷重振幅を安定に制御することを課題とする。

請求項１の疲労試験機の振動制御装置は、設定された目標荷重振幅と周波数とに基づいて、試験体に対して繰り返し変位を与えることで該試験体に対して繰り返し荷重を加えるとともに、該試験体に加える荷重をＡＧＣ機能で調整しながら該試験体の疲労試験を行う疲労試験機の振動制御装置であって、前記設定された周波数よりも十分長い周期に相当する低速度（低周波数）で前記試験体に変位を与えて該試験体から得られる実荷重が前記目標荷重振幅になるまで変位を変化させ、該試験体から得られる実変位の信号と実荷重の信号とから該試験体における変位と荷重の特性の傾きを求め、該傾きを基に前記ＡＧＣ機能のＡＧＣゲインを求めるとともに、該目標荷重振幅での制御量としての変位を求める低速制御機能を備え、前記低速制御機能で求めた、前記ＡＧＣゲインと前記目標荷重振幅での制御量としての変位とに基づいて、目標荷重振幅と周波数で繰り返し荷重を加え疲労試験を行うようにしたことを特徴とする。

請求項２の疲労試験機の振動制御装置は、請求項１に記載の疲労試験機の振動制御装置であって、前記周波数を変調するように周波数スイープ制御を行って疲労試験を行うことを特徴とする。

請求項１の疲労試験機の振動制御装置によれば、目標とする荷重振幅の付近での特性からＡＧＣゲインを決定するので、試験体が非線形な特性を有する場合であっても、目標荷重振幅までの到達時間が短くなるとともに、目標荷重振幅を安定的に制御することができる。

請求項２の疲労試験機の振動制御装置によれば、周波数スイープ制御を行って疲労試験を行う場合でも、目標荷重振幅を安定的に制御することができる。

本発明の振動制御装置を適用した疲労試験機の要部機能ブロック図である。 実施形態の振動制御装置における低速制御時と振動試験制御時の動作例を説明する図である。 実施形態における低速制御時の目標荷重振幅での変位−荷重特性の一例を示す図である。 従来の一般的なフィードバック制御のブロック図である。 従来の振動制御装置の要部機能ブロック図である。

次に、本発明の疲労試験機の振動制御装置の実施形態について図面を参照して説明する。図１は実施形態の疲労試験機を適用した試験システムの要部機能ブロック図であり、この試験システムは、実施形態の振動制御装置１、加振機２、センサ部３を備えている。加振機２は試験体Ｓに対して変位を与えるアクチュエータ等を備えている。

センサ部３は変位センサ（差動トランス）や荷重センサからなり、試験体Ｓに生じる実際の変位（実変位）と実際の荷重（実荷重）を検知して変位信号ＲＸと荷重信号ＲＷを出力し、変位信号ＲＸと荷重信号ＲＷは振動制御装置１に入力される。なお、振動制御装置１の内部の信号や加振機２に出力する制御量としての変位あるいは変位信号を「ＣＸ」、センサ部３で得られる実変位を示す変位あるいは変位信号を「ＲＸ」、実荷重を示す荷重あるいは荷重信号を「ＲＷ」として表記する。

振動制御装置１は、振幅調整部１１、発振部１２、低速制御部１３、振幅検出部１４、加算部１５、ＰＩＤ制御部１６を有している。振動制御装置１は図示しないＣＰＵやメモリを備えたコンピュータ等で構成されており、この振動制御装置１におけるコンピュータが所定の制御プログラムを実行することにより、振幅調整部１１、発振部１２、低速制御部１３、振幅検出部１４、加算部１５、ＰＩＤ制御部１６の各機能が得られる。

振幅調整部１１には、目標荷重振幅を示す設定振幅値と、周波数スイープ制御時の最大周波数と最小周波数等の設定周波数値とが入力される。振幅調整部１１は設定周波数値を発振部１２に出力する。さらに、振幅調整部１１は振幅検出部１４で検出される実荷重ＲＷと、前回までの設定荷重振幅との偏差に基づいて、発振部１２に出力する設定荷重振幅を調整する。これがＡＧＣ機能である。

低速制御部１３は、発振部１２の発振周波数を制御し、後述の低速制御時には、センサ部３で検出される荷重信号ＲＷを所定のサンプリング周波数で逐次メモリに記憶しながら発振部１２を制御し、発振部１２から漸次増加する移動信号ａを変位信号ＣＸとして加算部１５に出力する。この移動信号ａは設定周波数値の１／１０程度の周波数に対応する信号である。そして、低速制御によって得られた実荷重ＲＷと実変位ＲＸとに基づいて発振部１２の設定荷重振幅を制御し、その後、発振部１２は設定荷重振幅と設定周波数に対応する振幅を有する正弦波信号ｂを変位信号ＣＸとして加算部１５に出力する。

加算部１５は、変位信号ＣＸとセンサ部３で検出される変位信号ＲＸとの偏差をＰＩＤ制御部１６に出力する。ＰＩＤ制御部１６は、偏差に基づいてＰＩＤ演算を行い、ＰＩＤ演算で得られた操作量としての変位信号ＣＸを加振機２に出力する。なお、このＰＩＤ制御部１６の変わりに単に比例制御を行う制御部でもよい。

図２は低速制御時と振動試験制御時の動作例を説明する図であり、まず低速制御から始める。低速制御では、設定周波数値の１／１０（十分の一）程度の周波数に相当する変化率で変位を変化させるような移動信号ａを出力する。それに応じてセンサ部３から得られる実荷重の荷重信号ＲＷが変化する。この間に、所定のサンプリング周波数で、荷重信号ＲＷとそのときの変位信号ＣＸ（移動信号ａ）のデータをメモリに記憶していく。そして荷重信号ＲＷの値が目標荷重振幅に達したら、その時点（時刻Ｔ０）での制御量である変位信号ＣＸ（Ｔ０）の値を目標荷重振幅に対応する設定用の変位振幅として記憶する。

図３は低速制御時の目標荷重振幅での変位−荷重特性の一例を示す図であり、センサ部３の変位信号ＲＸに対する荷重信号ＲＷの変化を示している。この低速制御時に前記のように荷重信号ＲＷの値が目標荷重振幅に達した時点で、この変位−荷重特性（メモリに記憶したデータ）から、微分演算を行い変位Ｘ０における特性の傾き（微分値）ｄＷ／ｄＸ（Ｘ０）を求める。そして、この傾きからＡＧＣゲインを計算し、そのＡＧＣゲインを振幅調整部１１に設定する。このＡＧＣゲインは１以下で特性の傾きが大きいほど小さな値とする。

以上の低速制御が終了したら、その時点から変位信号ＣＸ（移動信号ａ）に対応する周波数で振動試験制御に移行し、周波数スイープ制御により周波数を次第に上げていく。このときには、ＡＧＣゲインが特性の傾きに応じて設定されているので、荷重振幅の安定性が損なわれない。

なお、実施形態では周波数スイープ制御を行う例を示したが、上記同様な低速制御は一定の周波数で振動試験を行う場合にも適用できる。

１ 振動制御装置
２ 加振機
３ センサ部
１１ 振幅調整部
１２ 発振部
１３ 低速制御部
１４ 振幅検出部
１５ 加算部
１６ ＰＩＤ制御部
Ｓ 試験体

Claims (2)

1. 設定された目標荷重振幅と周波数とに基づいて、試験体に対して繰り返し変位を与えることで該試験体に対して繰り返し荷重を加えるとともに、該試験体に加える荷重をＡＧＣ機能で調整しながら該試験体の疲労試験を行う疲労試験機の振動制御装置であって、
   前記設定された周波数よりも十分長い周期に相当する低速度で前記試験体に変位を与えて該試験体から得られる実荷重が前記目標荷重振幅になるまで変位を変化させ、該試験体から得られる実変位の信号と実荷重の信号とから該試験体における変位と荷重の特性の傾きを求め、該傾きを基に前記ＡＧＣ機能のＡＧＣゲインを求めるとともに、該目標荷重振幅での制御量としての変位を求める低速制御機能を備え、
   前記低速制御機能で求めた、前記ＡＧＣゲインと前記目標荷重振幅での制御量としての変位とに基づいて、目標荷重振幅と周波数で繰り返し荷重を加え疲労試験を行うようにしたことを特徴とする疲労試験機の振動制御装置。
2. 前記周波数を変調するように周波数スイープ制御を行って疲労試験を行うことを特徴とする請求項１に記載の疲労試験機の振動制御装置。

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