JP3570056B2 - 材料試験機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、引張り圧縮試験機や疲労試験機などの材料試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
供試体に引張り荷重や圧縮荷重などを負荷して試験を行なう材料試験機が知られている。
この種の材料試験機では、図３に示すように、供試体に負荷する荷重または変位の試験波形ｗの振幅ａ、平均値ｍおよび周波数を設定し、負荷用のアクチュエータの制御量が負荷試験波形ｗに追従するようにフィードバック制御をしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に試験波形の周波数が高くなるとアクチュエータが追従できなくなり、制御量の振幅が低下する。特に、サーボ弁により負荷用の油圧アクチュエータを駆動する電気油圧サーボ式の材料試験機では、サーボ弁の高周波領域の応答性が低いので、この問題が顕著に現れる。
この問題を解決するために、従来の材料試験機では、制御量が低下すると試験波形の振幅を予め設定した量だけ補正し、制御量の低下を補償している。
【０００４】
しかしながら、負荷用アクチュエータの種類、供試体の種類、試験条件などにより制御ループゲインの特性が異なるため、補正に時間がかかり、制御精度も低下するという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、制御ループゲインに応じて負荷試験波形の振幅および平均値を補正する材料試験機を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、供試体を負荷するアクチュエータの制御量が振幅、平均値および周波数により規定される負荷試験波形に追従するようにフィードバック制御を行なう材料試験機に適用され、フィードバック制御系の制御ループゲインに応じて負荷試験波形の振幅と平均値を補正する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態の構成を示す図である。
供試体ＳＰに圧縮荷重または引張荷重などを加える試験機本体１０は、基台１１上に一対の支柱１２ａ，１２ｂとヨーク１３とにより負荷枠を形成し、支柱１２ａ，１２ｂに上下に移動可能にクロスヘッド１４を取り付けて構成される。
基台１１には負荷用の油圧アクチュエータ１５が設置され、そのピストンロッド１５ａには供試体固定用の下部治具１６ａが取り付けられている。また、クロスヘッド１４にはロードセル１７を介して供試体固定用の上部治具１６ｂが取り付けられている。
油圧アクチュエータ１５はサーボ弁１８により圧油方向と圧油量が制御されてピストンロッド１５ａが伸縮し、それによって上部治具１６ａと下部治具１６ｂとの間に固定された供試体ＳＰが負荷される。油圧アクチュエータ１５のストローク、すなわち供試体ＳＰの変位は、油圧アクチュエータ１５に取り付けられた作動トランス１９により検出される。
【０００８】
試験機本体１０を制御する制御系２０は、制御回路２１、入出力装置２２、増幅器２３，２５，２７、Ａ／Ｄ変換器２４，２８、Ｄ／Ａ変換器２６などを備えている。
制御回路２１は、マイクロコンピュータとその周辺部品から構成され、供試体ＳＰを負荷する試験波形と、ロードセル１７から増幅器２３およびＡ／Ｄ変換器２４を介して入力した荷重信号と、作動トランス１９から増幅器２７およびＡ／Ｄ変換２８を介して入力した変位信号とに基づいて、油圧アクチュエータ１５を駆動するための制御信号を生成し、Ｄ／Ａ変換器２６および増幅器２５を介してサーボ弁１８へ出力する。
入出力装置２２は、供試体ＳＰの負荷試験波形ｗの振幅ａ、平均値ｍ、周波数などを入力する入力部と、試験結果の供試体のＳＰの荷重−変位特性などを出力する出力部とを備えている。
【０００９】
図２は、ソフトウエアにより構成される制御回路２１の制御ブロック図である。
制御回路２１は、マイクロコンピュータのソフトウエア形態で構成される波形発生回路２１１、ＡＧＣ回路２１２、減算器２１３、コントローラ２１４を備えている。制御対象３０は、上述したサーボ弁１８、油圧アクチュエータ１５、Ｄ／Ａ変換器２６、増幅器２５である。また、検出器４０は、供試体ＳＰの荷重を検出するためのロードセル１７、増幅器２３およびＡ／Ｄ変換器２４と、供試体ＳＰの変位を検出するための作動トランス１９、増幅器２７およびＡ／Ｄ変換器２８である。
制御回路２１は制御対象３０へ荷重または変位の操作量ｕを出力し、制御対象３０は供試体ＳＰに負荷して荷重または変位の制御量ｙを発生させる。検出器４０は、荷重または変位の制御量ｙを検出し、信号ｆとして制御回路２１にフィードバックする。
【００１０】
波形発生回路２１１は、供試体ＳＰの試験条件に応じた試験波形ｗを発生する。試験波形ｗは、図３に示すように、所定の振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ、以下では記号ａで表わす）と、平均値（ｍｅａｎ、以下では記号ｍで表わす）と、周波数とにより設定される。この明細書では、試験波形ｗの振幅を振幅目標値ｗａと呼び、試験波形ｗの平均値を平均目標値ｗｍと呼ぶ。この試験波形ｗはＡＧＣ回路２１２に供給される。
【００１１】
ＡＧＣ回路２１２は、試験波形ｗの振幅目標値ｗａおよび平均目標値ｗｍと、検出器４０からの荷重または変位のフィードバック信号ｆの振幅ｆａおよび平均値ｆｍとに基づいて、振幅目標値ｗａおよび平均目標値ｗｍをそれぞれ補正するための係数を算出し、補正係数により補正した試験波形ｒを出力する。なお、この明細書では試験波形ｒの振幅を振幅設定値ｒａと呼び、試験波形ｒの平均値を平均設定値ｒｍと呼ぶ。
このＡＧＣ回路２１２の動作を説明する。
通常、ＡＧＣ回路２１２は、振幅目標値ｗａとフィードバック振幅ｆａとの偏差ｅａに予め設定された係数α１を乗じて振幅設定値ｒａを補正する。同様に、平均目標値ｍとフィードバック平均値ｆｍとの偏差ｅｍに予め設定された係数β１を乗じて平均設定値ｒｍを補正する。すなわち、
【数１】
ｅａ＝ｗａ−ｆａ，
ｅｍ＝ｗｍ−ｆｍ
【数２】
（ｒａ＋ｅａ・α１）→ｒａ，
（ｒｍ＋ｅｍ・β１）→ｒｍ
【００１２】
しかし、補正係数α１，β１は通常、０．２〜０．５の範囲に設定されるので、制御対象３０、特にサーボ弁１８の周波数特性により制御系２０のループゲインが低下すると、補正が不十分となり、制御性能が著しく低下する。
そこで、この実施形態では、試験周波数における制御系のループゲインに相関する係数α２，β２を算出し、これらの係数α２，β２により係数α１，β１を補正する。なお、係数α２，β２は制御ループゲインが低下するほど増大する。まず、数式２により係数α１，β１で補正した振幅設定値ｒａと平均設定値ｒｍを有する試験波形ｒで材料試験機を運転し、新たにフィードバック振幅ｆａとフィードバック平均値ｆｍを求め、次式により制御ループゲイン係数α２，β２を算出する。
【数３】
α２＝ｒａ／ｆａ，
β２＝ｒｍ／ｆｍ
そして、算出した係数α２，β２により数式２におけるα１，β１を補正し、振幅設定値ｒａと平均設定値ｒｍを更新する。すなわち、
【数４】
ｒａ＋ｅａ・α１・α２→ｒａ，
ｒｍ＋ｅｍ・β１・β２→ｒｍ
以後、数式４により補正された振幅設定値ｒａと平均設定値ｒｍを有する試験波形ｒで材料試験を継続する。
【００１３】
減算器２１３、コントローラ２１４、制御対象３０および検出器４０はフィードバック制御系を構成し、減算器２１３は試験波形ｒとフィードバック信号ｆとの偏差ｅを求め、コントローラ２１４は偏差ｅに基づいて制御量ｙが試験波形ｒに追従するようにフィードバック制御する。なお、コントローラ２１４は古典制御理論に基づくＰＩＤのフィードバック制御を行ってもよいし、現代制御理論に基づく適応制御やオブザーバーなどを用いてもよい。これらの制御方法は周知であり、本発明とは直接関係がないので説明を省略する。
制御結果の操作量ｕは制御対象３０に与えられ、それにより制御対象３０は制御量ｙを発生する。ここで、操作量ｕは制御回路２１からＤ／Ａ変換器２６へ出力されるサーボ弁１８の制御信号であり、制御量ｙはロードセル１７で検出される荷重または作動トランス１９で検出される変位である。
【００１４】
図４は制御回路２１の処理を示すフローチャートである。このフローチャートにより、実施形態の動作を説明する。
ステップ１において、入出力装置２２により試験波形ｗの振幅目標値ｗａ、平均目標値ｗｍ、周波数を設定し、続くステップ２で材料試験を開始し、試験波形ｗでフィードバック制御を行なう。なお、試験開始直後は試験波形ｒは試験波形ｗと同一である。ステップ３でフィードバック振幅ｆａとフィードバック平均値ｆｍを検出し、数式１により振幅偏差ｅａと平均値偏差ｅｍを求める。そして、数式２により振幅設定値ｒａと平均設定値ｒｍを更新する。
ステップ４で、更新した振幅設定値ｒａと平均設定値ｒｍを有する試験波形ｒでフィードバック制御を行なう。続くステップ５では、フィードバック振幅ｆａとフィードバック平均値ｆｍを検出し、数式３により制御ループゲインに相関する係数α２，β２を算出する。そして、ステップ６で係数α２，α２を用いて振幅設定値ｒａと平均設定値ｒｍを更新する。
ステップ７において、係数α２，β２と最新のｅａ，ｅｍを使って更新した振幅設定値ｒａと平均設定値ｒｍを有する試験波形ｒでフィードバック制御を行なう。ステップ８で、入出力装置２２により試験の終了操作が行われると処理を終了する。
【００１５】
このように、材料試験中に制御ループゲインに相関する係数α２，β２を算出し、これらの係数α２，β２により負荷試験波形ｗの振幅ａと平均値ｍを補正して制御ループゲインの低下を補償するようにしたので、負荷用のアクチュエータの種類、供試体の種類、試験条件が変っても制御ループゲインに応じて自動的に負荷試験波形ｗの振幅と平均値が短時間に補正され、高い制御精度を維持することができる。
【００１６】
−発明の実施の形態の変形例−
上述した実施形態では材料試験中に制御ループゲインに相関する係数を算出し、これらの係数により負荷試験波形の振幅と平均値を補正して制御ループゲインの低下を補償するようにしたが、材料試験開始前に周波数をパラメータとして制御系の制御ループゲインを直接測定し、測定結果により材料試験中の制御ループゲインの低下を補償するようにしてもよい。
制御ループゲインは材料試験開始前に試験波形の周波数をパラメータとして測定し、測定結果のループゲインを試験周波数に対応づけてメモリに記憶する。そして、材料試験を開始し、試験中の制御ループゲインの低下を次式により補償する。
【数５】
ｒａ＋ｅａ・α１／ＬＰ→ｒａ，
ｒｍ＋ｅｍ・β１／ＬＰ→ｍ，
ここで、ＬＰは材料試験に先だって測定した試験周波数における制御ループゲインである。
このようにすれば、材料試験中の数回の補正でどのような周波数においても目標値通りの振幅値と平均値が得られる。
【００１７】
−発明の実施の形態の他の変形例−
上述した変形例では、材料試験前に制御系のループゲインを直接測定したが、図２に示す各ブロックの伝達関数を求め、フィードバック制御系２０の開ループゲインを算出して理論的に制御ループゲインを求めてもよい。そして、算出した制御ループゲインを用いて試験中に上記数式５により負荷試験波形の振幅ａと平均値ｍを補正する。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、供試体を負荷するアクチュエータの制御量が振幅、平均値および周波数により規定される負荷試験波形に追従するようにフィードバック制御を行なう際、フィードバック制御系の制御ループゲインに応じて負荷試験波形の振幅と平均値を補正するようにしたので、負荷用のアクチュエータの種類、供試体の種類、試験条件が変っても制御ループゲインに応じて自動的に負荷試験波形の振幅と平均値が短時間に補正され、高い制御精度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】一実施形態の制御系を示す制御ブロック図。
【図３】試験波形を示す図。
【図４】制御回路の処理を示すフローチャート。
【符号の説明】
１０ 試験機本体
１５ 油圧アクチュエータ
１７ ロードセル
１８ サーボ弁
１９ 作動トランス
２０ 制御系
２１ 制御回路
２２ 入出力装置
２３，２５，２７ 増幅器
２４，２８ Ａ／Ｄ変換器
２６ Ｄ／Ａ変換器

Claims (1)

1. 供試体を負荷するアクチュエータの制御量が振幅、平均値および周波数により規定される負荷試験波形に追従するようにフィードバック制御を行なう材料試験機において、フィードバック制御系の制御ループゲインに応じて前記負荷試験波形の振幅と平均値を補正することを特徴とする材料試験機。

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