JP4075805B2 - サーボ式材料試験機 - Google Patents

Description

本発明はサーボ式材料試験機に関する。

従来から、試験片に負荷を与えるための油圧アクチュエータと、油圧アクチュエータを駆動制御するサーボ弁とを備えたサーボ式材料試験機が知られている。この種のサーボ式材料試験機では、制御量として選択されている物理量、例えば油圧アクチュエータの変位や試験片に作用する荷重の目標値をサーボ弁に供給すると同時に、その制御量の検出値をフィードバックすることにより、試験片に対して目標値通りの負荷を加えるフィードバックループを備えている。

このようなフィードバックループを備えたサーボ式材料試験機においては、フィードバックループのゲイン調整は、試験片を含めた系の安定性を得るうえで重要である。すなわち、ゲインが大きすぎると過応答による発振現象が生じるとともに、ゲインが小さすぎると応答不足によって目標値に対する追随性が悪くなる。いずれの場合も意図する試験を行うことができなくなるため、常に最適なゲインに調整をした上で試験を行う必要がある。

このようなフィードバックループを備えたサーボ式材料試験機として、例えば、特許文献１の材料試験機が知られている。この材料試験機では、次のようにしてフィードバックループのゲインを決定している。
（１）フィードバックループにおける制御量の検出値があらかじめ設定された一定値となったときのサーボ弁に対する操作信号の大きさを記憶し、
（２）記憶した操作信号をオープンループ状態でサーボ弁に対してオフセット信号として供給し、
（３）そのオフセット信号が加えられている状態であらかじめ設定されている矩形波状の設定信号をサーボ弁に対して追加供給し、
（４）その追加供給状態で制御量の検出値があらかじめ設定されたしきい値に達した時点で当該設定信号の供給を停止し、
（５）その設定信号の追加供給開始から停止までの間の制御量の検出値を応答データとして記憶し、
（６）その応答データを用いてシステムを同定し、その同定結果に基づいて系のゲインを最適に設定する。

特開２００２−３４０７６３号公報

特許文献１の材料試験機では、クローズドループからオープンループに移行して応答データを採取する際のサーボ弁に与える操作信号の大きさについてはとくに言及していない。そのため、比較的大きな操作信号を与える場合、すなわち、サーボ弁の開度が大きい場合、試験片が破壊されてしまうことがある。

請求項１の発明は、試験片を負荷する流体圧アクチュエータをサーボ弁で制御するフィードバックループを備えたサーボ式材料試験機に適用される。そして、その材料試験機は次の構成（ａ）〜（ｅ）を備える。
（ａ）フィードバックループにおける制御量の検出値があらかじめ設定された一定値となったときのサーボ弁に対する操作信号の大きさを記憶する操作信号記憶手段
（ｂ）操作信号記憶手段に記憶されている信号をオープンループ状態でサーボ弁に対してオフセット信号として供給するオフセット信号供給手段
（ｃ）そのオフセット信号が加えられている状態でサーボ弁の開度が所定の開度になるようにサーボ弁に矩形波状の設定信号を追加供給したとき、制御量の検出値があらかじめ設定されたしきい値に達しない場合は、制御量の検出値があらかじめ設定されたしきい値に達するまで、サーボ弁の開度が予め定めた所定増量分だけ開くように定めた矩形波状の設定信号をサーボ弁に少なくとも１回以上追加供給し、そのときの制御量の検出値がしきい値に達した時点で当該設定信号の供給を停止する設定信号供給手段
（ｄ）制御量の検出値がしきい値に達した時の設定信号の追加供給開始から停止までの間の制御量の検出値を記憶する応答データ記憶手段
（ｅ）その応答データ記憶手段の記憶内容を用いてシステムを同定し、その同定結果に基づいて系のゲインを最適値に設定する演算手段

本発明によれば、オープンループにて試験片に負荷を与えた際の制御量（荷重や変位）の検出値の応答特性から系を同定してゲインを決定する際、試験片が破壊しないように決定される制御量のしきい値で制御量を制限するととともに、サーボ弁の開度を小さい状態から応答データの採取を開始するようにした。したがって、試験片に意図しないダメージを与える危険性がない。

図１は本発明の実施の形態による材料試験機の全体構成を示す。材料試験機１０は、材料試験機本体２０と、制御装置５０とを備えている。材料試験機本体２０は、基台２１と、基台２１の両側に立設された２本の支柱２２と、支柱２２に保持されるクロスヘッド２３と、試験片を負荷する油圧アクチュエータ２４と、油圧アクチュエータ２４の駆動を制御するサーボ弁２５と、クロスヘッド２３と基台２１との間で試験片ＴＰを把持する上下つかみ具２６，２７とを備えている。なお、油圧シリンダ２４とサーボ弁２５を総称して負荷装置７０と呼ぶ。

上つかみ具２６は、クロスヘッド２３にロードセル２８を介して連結され、下つかみ具２７は、油圧シリンダ２４のピストンロッドに接続される。油圧シリンダ２４のピストンロッドの移動量は変位計２９で検出される。

上下つかみ具２６，２７によって試験片ＴＰを把持して油圧シリンダ２４により負荷を与える。試験片ＴＰの変形量は、油圧シリンダ２４のピストンロッドの位置を検出する変位計２９により検出される。また、試験片ＴＰに作用する荷重はロードセル２８により検出される。ロードセル２８で検出される荷重の検出信号と、変位計２９で検出される変位の検出信号は制御装置５０に刻々と取り込まれる。

制御装置５０は、図２に示すように、試験片ＴＰに与える負荷に応じた目標値信号を発生するための波形発生装置５１と、ＰＩＤ調節器５２と、後述するオフセット信号を記憶し、かつ、発生するオフセット信号発生装置５３と、同じく後述する設定信号を発生する設定信号発生装置５４と、制御量として設定されている検出器、つまりロードセル２８もしくは変位計２９による制御量の検出信号を後述するタイミングで記憶するデジタル記録装置５５と、そのデジタル記録装置５５の記憶内容を用いて系の同定並びに最適ゲインの調整を行う演算器５６と、系をクローズドループもしくはオープンループの状態にするためのスイッチ５７と、スイッチ５７の後段に接続されるサーボ弁用アンプ５７Ａと、検出器（２８または２９）による制御量の検出値をＰＩＤ調節器５２の前段に帰還させるための加算点５８と、帰還回路５９とを備えている。

なお、制御装置５０のうちのいくつかは、実際にはコンピュータにインストールされているプログラムとその周辺機器によって構成されるが、図２においては、説明の便宜上、そのプログラムが有する機能ブロックとして示している。

設定信号発生装置５４は、サーボ弁２５の開度を規定する矩形波状の設定信号を出力する。設定信号発生装置５４はまた、サーボ弁２５を所定の開度に固定して油圧シリンダ２４を駆動する所定時間、制御量の検出値を常に監視し、その値があらかじめ設定されているしきい値に達した時点で設定信号の出力を停止する。さらに設定信号発生装置５４は、サーボ弁２５を所定の開度に固定して油圧シリンダ２４を所定時間駆動しても制御量の検出値がしきい値を越えない場合、いったん設定信号を負の値にして、制御量の検出値をゼロリセットする。その後、サーボ弁２５の開度を少し大きくして同様に制御量の検出値を監視する。サーボ弁２５の開度増加分は、たとえば、制御弁２５の開度制御分解能に相当する量とすることができる。

次に、以上のように構成された材料試験機による動作について説明する。
試験に先立ち、制御量を選択する。図１の例では、ロードセル２８により検出される荷重か、あるいは変位計２９により検出される変位のいずれかを選択する。これにより、図２における検出器のブロックがロードセル２８もしくは変位計２９に設定される。

試験片ＴＰの負荷試験時は、スイッチ５７がＰＩＤ調節器５２側に切換えられ、フィードバックループが形成される。波形発生装置５１からの目標値信号と、帰還回路５９からの検出器（２８または２９）による制御量の検出信号との偏差が加算点５８で算出され、ＰＩＤ調節器５２の前段に入力される。ＰＩＤ調節器５２ではその偏差をあらかじめ設定されているゲインに基づいて調節して操作信号を生成し、サーボ弁用アンプ５７Ａに供給する。このようにして、材料試験機１０は試験片ＴＰを所定の波形で負荷することができる。

本発明による材料試験機では、以下に示すようにクローズドループ状態からオープンループ状態に切り換え、矩形波状の設定信号をサーボ弁２５に供給して系の同定を行ったうえで、最適ゲインを求める。

図３を参照してゲイン調整について詳細に説明する。図３は、ゲイン調整におけるサーボ弁用アンプ５７Ａへの入力信号と、検出器２８または２９の出力信号（制御量の検出値、以下、単に出力信号と称する）の関係を示すグラフである。

ゲイン調整に際しては、ＰＩＤ調節器５２のゲインを低い状態に設定した状態で、まず、スイッチ５７を下側、つまりＰＩＤ調節器５２側に切換えてクローズドループ状態とする。その後、波形発生装置５１からあらかじめ設定されている一定値の信号を供給する。この信号の大きさは、制御量の検出値があらかじめ設定された一定値、例えば荷重が０あるいはその近傍の小さい値、となるような大きさとされ、この信号の大きさはオフセット信号発生装置５３に記憶される。

制御量の検出値が設定された一定値に達して負荷装置７０が静止した時点、換言すると負荷装置７０が定常状態に達した時点で、スイッチ５７を上側に切り換える。これにより、系はオープンループ状態となるとともに、オフセット信号発生装置５３から、先に記憶している信号がオフセット信号としてサーボ弁２５に供給される。したがって、このスイッチ５７の切り換え時において、負荷装置７０は静止状態を保つ。図３のグラフにおいては、この切り換え時点をｔ０で表しており、オフセット信号の大きさをＩＳ０で示している。このとき、制御量の検出値（出力信号）は０である。

次に、図３の時点ｔ１〜ｔ２の期間、設定信号発生装置５４から矩形波状の設定信号Ｓ１を負荷装置７０に対して追加供給する。この期間に追加供給する設定信号Ｓ１の大きさはＩＳ１で示されている。なお、この時点ｔ１〜ｔ２の期間は予め定められている。信号レベルＩＳ０と信号レベルＩＳ１の差ΔＩＳは、サーボ弁２５の開度制御分解能に応じて決定される。図３の例では、信号レベルＩＳ１の設定信号Ｓ１では出力信号は依然として０である。これは負荷装置７０に不感帯があるからである。

さらに図３の時点ｔ３〜ｔ４の期間、設定信号発生装置５４から矩形波状の設定信号Ｓ２を負荷装置７０に対して追加供給する。この時点ｔ３〜ｔ４の期間で追加供給する設定信号Ｓ２の大きさはＩＳ２で示されている。信号レベルＩＳ１と信号レベルＩＳ２の差は、上述したΔＩＳである。図３の例では、信号レベルＩＳ２の設定信号Ｓ２で出力信号は出力されるものの、予め設定したしきい値ＳＨを越えることはない。

次に、時点ｔ５において、設定信号をいったん負の値として油圧シリンダ２４を反対方向に駆動して制御量の検出出力信号をゼロにリセットする。ゼロになった時点ｔ６において設定信号の大きさをＩＳ０にして負荷装置７０を定常状態にする。

その後、図３の時点ｔ７になると、設定信号発生装置５４から矩形波状の設定信号Ｓ３を負荷装置７０に対して追加供給する。この時点ｔ７で追加供給する設定信号Ｓ３の大きさはＩＳ３で示されている。信号レベルＩＳ２と信号レベルＩＳ３の差は上述したΔＩＳである。図３の例では、時点ｔ８において、出力信号ＯＳ３は予め設定したしきい値ＳＨを越えている。

設定信号発生装置５４は上述したように出力信号を監視しており、その出力信号がしきい値ＳＨに達した時点ｔ８で設定信号ＩＳ３の出力を停止し、オフセット信号ＩＳ０のみの供給状態とする。時点ｔ７〜ｔ８間の設定信号ＩＳ３の追加供給中における出力信号ＯＳ３は、デジタル記憶装置５５に逐次記憶される。

出力信号がしきい値ＳＨを越えてから所定時間経過後の時点ｔ９において、設定信号を負の値として負荷装置７０を定常状態にする。その後、スイッチ５７をＰＩＤ調節器５２側に切り換える。これにより再びフィードバックループが形成され、系は元の状態に戻る。

以上の動作の後、演算器５６では、デジタル記憶装置５５に記憶されている出力信号ＯＳ３による応答データを用いて、系の同定を行い、その結果に基づいて系の最適ゲインを決定してＰＩＤ調節器５２に設定する。系の同定に当たっては、上述したようにオープンループで矩形波状の設定信号を供給し、そのときの応答を得る方法を採用しているので、系はラプラス変換した下記の（１）式によってモデル化できる。

したがって、（１）式におけるＲ，Ｌ，Ｔを決めることが、系を同定することになる。（１）式におけるＧ（ｓ）を時間領域に直すと式（２）のように表すことができる。

この（２）式におけるＧ（ｔ）とデジタル記憶装置５５に記憶されている実際の応答を比較して、Ｒ，Ｌ，Ｔを決定する。Ｒ，Ｌ，Ｔが決まれば、前もってシミュレーションで求めて記憶している係数表に照らし合わせて、ＰＩＤの最適のゲインを決定することができる。なお、演算器５６によりゲインを算出する一例は、特開２００３−１０６９６６号公報に示されているので、ここでの説明を省略する。

以上の実施の形態における材料試験機では、試験片ＴＰに作用する最大許容負荷を制御量のしきい値ＳＨとして前もって設定するとともに、サーボ弁２５を最小開度として試験片ＴＰに負荷を与え始める。制御量がしきい値ＳＨを越えない場合に、サーボ弁２５の開度をその分解能に相当する開度だけ開いて試験片ＴＰに負荷を与える。そして、制御量の出力値がしきい値ＳＨを越えたときの出力信号の応答特性から系を同定してゲインを決定する。したがって試験片ＴＰに対してダメージを与える危険性がない。しかもＦＦＴを用いた伝達関数の算出といった複雑な計算が不要であるため、演算器５６に大きな負荷をかけることなく素早く系を同定して最適ゲインを決定することが可能となる。

以上の実施の形態における材料試験機は一例に過ぎず、種々の形態の油圧サーボ式もしくは空圧サーボ式材料試験機に本発明を適用できる。また、ゲイン決定の際、サーボ弁２５の開度をその開度制御分解能ごとに開度を増加することとしたが、増加開度はサーボ弁２５の開度制御分解能ごとに増加することに限定されない。また、ＰＩＤ調整器５２をＰＩ調節器、ＰＤ調節器，Ｐ調節器としても同様にしてゲインを決定することができる。

本発明の一実施の形態による材料試験機の構成を示す図 図１の制御装置の詳細ブロック図 サーボ弁の入力信号と負荷装置の出力信号の波形図

符号の説明

１０：材料試験機 ２４：油圧シリンダ
２５：サーボ弁 ２８：ロードセル
２９：変位計 ５０：制御装置
７０：負荷装置

Claims (1)

1. 試験片を負荷する流体圧アクチュエータをサーボ弁で制御するフィードバックループを備えたサーボ式材料試験機において、
   前記フィードバックループにおける制御量の検出値があらかじめ設定された一定値となったときの前記サーボ弁に対する操作信号の大きさを記憶する操作信号記憶手段と、
   前記操作信号記憶手段に記憶されている信号をオープンループ状態で前記サーボ弁に対してオフセット信号として供給するオフセット信号供給手段と、
   そのオフセット信号が加えられている状態で前記サーボ弁の開度が所定の開度になるように前記サーボ弁に矩形波状の設定信号を追加供給したとき、前記制御量の検出値があらかじめ設定されたしきい値に達しない場合は、前記制御量の検出値があらかじめ設定されたしきい値に達するまで、前記サーボ弁の開度が予め定めた所定増量分だけ開くように定めた矩形波状の設定信号を前記サーボ弁に少なくとも１回以上追加供給し、そのときの制御量の検出値が前記しきい値に達した時点で当該設定信号の供給を停止する設定信号供給手段と、
   前記制御量の検出値が前記しきい値に達した時の前記設定信号の追加供給開始から停止までの間の前記制御量の検出値を記憶する応答データ記憶手段と、
   その応答データ記憶手段の記憶内容を用いてシステムを同定し、その同定結果に基づいて系のゲインを最適値に設定する演算手段とを備えることを特徴とするサーボ式材料試験機。

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