JP3608302B2

JP3608302B2 - 疲労試験機

Info

Publication number: JP3608302B2
Application number: JP19877196A
Authority: JP
Inventors: 善一安田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1996-07-29
Filing date: 1996-07-29
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2016-07-29
Also published as: JPH1038780A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は疲労試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
供試体に引張り荷重や圧縮荷重などを繰り返し負荷して試験を行なう疲労試験機が知られている。この種の疲労試験機では、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】
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疲労試験機では、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。
【０００４】
この問題を解決するために、従来の疲労試験機では、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。このような補償制御は一般にＡＧＣ制御と呼ばれ、制御ループゲインが最適ではない時や、サーボ弁の周波数応答が低下する領域において有効に機能する
【０００５】
しかしながら、試験の途中で試験周波数を変更する場合、制御ループゲインの最適値が周波数切り替えの前後で変化し、周波数切り替えにともなって制御量が過大あるいは過小になり、試験に悪影響を及ぼすおそれがある。
【０００６】
本発明の目的は、試験途中の周波数切り替えにともなって制御量が過大あるいは過小にならないようにした疲労試験機を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）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疲労試験機に適用され、周波数が切り替えられた時、切り替わる前の周波数において最適な制御ゲインを補正し、補正後の最適な制御ゲインにしたがって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。
（２）周波数の切り替えに応答して、上記の負荷試験波形の振幅と平均値の補正を通常の補正時期を待たずに行うのが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施の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。
【０００９】
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。
【００１０】
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に取り付けられた差動トランス１９により検出される。
【００１１】
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。
【００１２】
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、差動トランス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。
【００１３】
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。
【００１４】
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差動トランス１９、増幅器２７およびＡ／Ｄ変換器２８である。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
次に、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ｗｍ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
【００１９】
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。また、試験途中で試験周波数が切り替わると、疲労試験機全体としての周波数特性により制御系２０の制御ループゲインの最適値が変る。
【００２０】
そこで、この実施の形態では、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を算出するとともに、試験周波数切り替え前後の最適ゲインの比から係数α３，β３をも算出し、これらの係数α２，β２とα３，β３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で疲労試験機を運転し、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
【００２１】
図４に示すように試験周波数ごとに予め定められているゲインのテーブルから、現在の試験周波数に最適なゲインＧｏと次回の試験周波数に最適なゲインＧｎを読み出して、次式により係数α３，β３を算出する。
【数４】
α３＝Ｇｏ／Ｇｎ
β３＝Ｇｏ／Ｇｎ
【００２２】
そして、算出した係数α２，β２と係数α３，β３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５】
ｒａ＋ｅａ・α１・α２・α３→ｒａ，
ｒｍ＋ｅｍ・β１・β２・β３→ｒｍ
以後、数式５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で試験を継続する。
【００２３】
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。
【００２４】
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差動トランス１９で検出される変位である。
【００２５】
図５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、実施の形態の動作を説明する。
【００２６】
ステップＳ１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Ｓ２で試験を開始し、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Ｓ３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Ｓ４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。
【００２７】
ステップＳ５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。次いでステップＳ６で試験周波数が変更されたと判定されると、ステップＳ７において、振幅ａ、平均値ｍはそのままとして試験波形ｗの周波数だけを変更する処理を行う。ステップＳ６において試験周波数が変更されたと判定されない時は、ステップＳ８で５秒待機し、５秒経過したらステップＳ９に進む。ステップＳ９で数式４により係数α３，β３を算出し、ステップＳ１０で係数α２，β２およびα３，β３を用いて数式５により振幅設定値ｒａと平均設定値ｒｍを更新する。
【００２８】
ステップＳ１１において、係数α２，β２および係数α３，β３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Ｓ１２で試験の終了が判定されると処理を終了する。
【００２９】
以上の処理手順によれば、試験周波数の変更がある時は直ちに、ないときは５秒に１回のサイクルで、制御ループゲインに相関する係数α２，β２と、試験周波数に依存する係数α３，β３を算出し、これらの係数α２，β２および係数α３，β３により負荷試験波形ｗと振幅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とともに、周波数切り替えによる最適ゲインの変更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、試験周波数が変っても最適なＡＧＣ制御が可能となり、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。
【００３０】
また、係数α３，β３を使用せず係数α２，β２だけで試験波形ｒを更新する場合には、試験周波数が変更すると制御ループゲインが適正値から外れ、制御量ｕが最適化されるまでに時間を要するが、疲労試験機固有の周波数応答特性に基づいて算出された係数α３，β３を使用して制御ゲインを制御することにより、周波数応答に最適な制御ゲインが得られる。この場合、５秒に１回のサイクルで試験波形ｒを更新するようにすると、周波数切り替え直後に制御ゲイン、すなわち制御量が過大過ぎたり、過小過ぎたりして試験に悪影響を及ぼすおそれがあるが、図４のように、周波数が切り替えられたときは５秒待たずに直ちに試験波形を更新することにより、周波数切り替えにより制御量が大きくなり過ぎたり、小さくなり過ぎることがない。
【００３１】
なお、図４に示すテーブルでは、試験周波数を対数で表わすようにしているので、試験周波数の帯域が広い場合でもメモリ容量が少なくて済む。図４にない試験周波数の場合には補間演算でゲインを求めることができる。また、図５においてステップＳ６および７の手順を省略した場合、試験周波数の切り替え前後のゲイン変更に伴う補正処理は５秒以内に行われる。本発明はこのような処理方式にも適用されるものである。
【００３２】
【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、周波数が切り替えられた時、切り替わる前の周波数において最適な制御ゲインを補正し、補正後の最適な制御ゲインにしたがっ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、試験周波数が変っても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。とくに、請求項２のように、試験周波数の切り替えに応答して直ちに上記の負荷試験波形の振幅と平均値の補正を行うようにすれば、過渡的に制御量が過大あるいは過小になることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態の構成を示すブロック図。
【図２】一実施の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】試験周波数とゲインのテーブルを示す図。
【図５】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差動トランス
２０制御系
２１制御回路
２２入出力装置
２３，２５，２７増幅器
２４，２８Ａ／Ｄ変換器
２６Ｄ／Ａ変換器

Claims

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疲労試験機において、
前記周波数が切り替えられた時、切り替わる前の周波数において最適な制御ゲインを補正し、補正後の最適な制御ゲインにしたがっ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疲労試験機。
請求項１に記載の疲労試験機において、
前記周波数の切り替えに応答して、前記負荷試験波形の振幅と平均値の補正を通常の補正時期を待たずに行うことを特徴とする疲労試験機。