JP4098453B2

JP4098453B2 - 試験装置

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Publication number: JP4098453B2
Application number: JP2000053335A
Authority: JP
Inventors: 博宇野
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2020-02-29
Also published as: JP2001242055A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試験装置に関し、特に、電油式のアクチュエータを有する材料試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、試料に繰り返し負荷を印加し、その力学的挙動を調べる材料試験がおこなわれている。このような試験を行う材料試験装置においては、試料の変位、試料の速度あるいは加速度を所望の負荷パターンに従って変化させ、そのときの試料の挙動を測定することが行われている。
【０００３】
図３は、このような従来の材料試験装置の一構成例を示す機能ブロック図である。ここでは、試料に印加する加速度を所定の負荷パターンに従って変化させる場合を例にとって説明する。また、この試験装置はデジタル制御方式によるものであり、所定のサンプリング周期（サイクル）ごとにサンプリングされたデータを用いてデジタル処理が行われている。
【０００４】
図３において、１は試料に負荷する加速度に対応する波形信号Ｅｉを発生する関数発生器、２は該波形信号Ｅｉを２回積分して変位の次元の信号に変換する積分手段、３は前記積分手段２の出力が入力されるフィルタ部である。このフィルタ部３は、トランスバーサルフィルタ（タップ付き遅延線フィルタ）により構成されており、その各タップの出力に乗ずる係数は、演算部４により制御されるようになされている。
また、１０はコントローラ部１１とプラント部１２からなる試験機部である。コントローラ部１１において、１３は前記フィルタ部３の出力から変位用センサアンプ１９の出力を減算し、誤差信号Ｅｒを出力する加算点、１４は前記加算点１３からの誤差信号Ｅｒに対し、比例、積分などの処理を行い、アナログ信号に変換して出力するＰＩＤ調節部、１９は変位センサ１８の出力を所定のサンプリング周期ごとにデジタル信号に変換して出力する変位用センサアンプであり、また、プラント部１２において、１５は前記ＰＩＤ調節部１４からの出力により駆動されるサーボバルブ、１６は該サーボバルブ１５により駆動されるアクチュエータ、１７はアクチュエータ１６のピストン、１８は該ピストン１７あるいは試料に取り付けられ、試料の変位を測定する変位センサ、２０は例えば前記アクチュエータ１６のピストン１７に取り付けられ、前記試料の加速度を測定する加速度センサである。
【０００５】
このように構成された試験装置において、前記加算点１３、ＰＩＤ調節部１４、サーボバルブ１５、アクチュエータ１６、ピストン１７、試料、変位センサ１８、変位用センサアンプ１９により、変位信号をフィードバック信号とするフィードバック制御系が構成されており、試料の変位が加算点１３への入力信号、すなわち、前記加速度を表す波形信号Ｅｉを変位次元に変換した信号に追随するように制御される。
【０００６】
しかしながら、試験の進行にともない試料の破壊が進行するなどして、試料の剛性が変化するため、前記フィードバック系の閉ループゲインは変動する。したがって、前記試験機部１０における入力対出力の周波数応答特性が変動することとなる。
そこで、前記演算部４において、前記試験機部１０の入力（加算点１３への入力信号）と出力（変位用センサアンプ１９の出力）から、試験機部１０の伝達関数Ｈをリアルタイムで推定し、トランスバーサルフィルタにより構成されたフィルタ部３の伝達関数を１／Ｈとなるように各タップの係数を制御する。これにより、前記フィルタ部３により試験機部１０の周波数特性を補償することができ、フィルタ部３と試験機部１０からなる系への入力である前記積分手段２の出力波形と出力である前記変位センサ１８の出力波形とを一致させることが可能となる。このとき、前記関数発生器１から出力される加速度の波形信号Ｅｉと前記加速度計２０から出力される加速度測定信号は一致することとなる。
【０００７】
なお、上述の例においては、前記関数発生器１から出力される波形信号Ｅｉが試料の加速度に対応する信号であるものとして説明したが、試料の速度あるいは変位の負荷パターンを波形信号Ｅｉとして入力する試験も行われる。例えば、試料の速度に対応する波形信号Ｅｉを入力する場合には、前記積分手段２における積分回数を１回として、該速度に対応する波形信号Ｅｉを変位次元の信号に変換し、該変位次元に変換された信号を前記フィルタ部３に入力すればよい。これにより、波形信号Ｅｉにより示される速度で試料を駆動することができる。また、前記波形信号Ｅｉが試料に載荷する変位に対応する波形信号である場合には、前記積分手段２を省略し、該波形信号Ｅｉをそのまま、前記フィルタ部３に入力する。これにより、波形信号Ｅｉに対応する変位で試料を負荷することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、試験機部１０の伝達関数Ｈの逆の伝達関数１／Ｈをフィルタ部３により実現することにより、入力波形と同一の出力波形を得ることが可能となるが、このことは、トランスバーサルフィルタが線形変換を利用しているものであるため、対象となる系が線形系である場合にのみ可能である。しかしながら、実際には、前記試験機部１０においては、サーボ弁（スプール）の動きと出力流量間の非線形特性およびピストンフリクションなどに起因する非線形ひずみが発生している。このような非線形な特性は、用いる流量、周波数、ピストンフリクション、油温などにより大きく影響される。
また、前記図３に示した例のように、加速度波形を入力波形とする場合には、前記非線形ひずみ成分も２回微分された出力が前記加速度センサ２０から得られることとなり、加速度センサ２０に含まれるひずみ成分は大きなものとなってしまう。
このように、前述したフィルタ部３を用いる場合であっても、これは系を線形なものとして扱うものであるため、非線形ひずみに効果的に対処することはできなかった。
【０００９】
そこで本発明は、このような非線形ひずみを効率良く取り除くことができ、試験の信頼性を向上させることのできる試験装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の試験装置は、所定の繰り返し周期を有する波形信号を発生する波形発生手段と、試料を加振する変位フィードバック制御の試験機部と、前記試験機部の伝達関数をＨとしたときに１／Ｈに相当する伝達関数を有する第１のフィルタ部と、前記波形信号に対応する前記試験機部の出力と前記波形発生手段の出力との差を検出する第１の減算器と、該第１の減算器の出力が入力され、前記第１のフィルタ部と同一の伝達関数を有する第２のフィルタ部と、前記所定の繰り返し周期に対応する前記第２のフィルタ部の出力を積算するひずみ補正要素発生部と、前記第１のフィルタ部の出力から前記ひずみ補正要素発生部の出力を減算して、前記試験機部に出力する第２の減算器とを有するものである。
また、前記ひずみ補正要素発生部は、前記所定の繰り返し周期に対応する前記第２のフィルタ部の出力に所定の係数を乗算した値を積算するものである。
さらに、前記波形発生手段より出力される波形信号は、試料に印加する加速度あるいは速度に対応する波形信号とされているものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の試験装置の一実施の形態の構成を示す機能ブロック図である。この図において、前記図３と同一の構成要素には同一の符号を付す。
図１において、１は関数発生器であり、試料に印加すべき負荷パターンに対応する入力波形Ｅｉを出力する。この入力波形としては、正弦波信号に限らず、所定の繰り返し周期を有する繰り返し波形を用いることができ、周期関数あるいは有限長のランダム波の繰り返し波形を用いることができる。また、入力波形Ｅｉとしては、試料の変位、速度あるいは加速度の負荷パターンのいずれであってもよいが、ここでは、試料に印加する加速度に対応する入力波形Ｅｉを発生するものとして説明する。
２は第１の積分手段であり、前記関数発生器１からの加速度に対応する入力波形Ｅｉを２回積分して、変位次元の入力波形に変換する。前記入力波形Ｅｉが例えば振幅一定で周波数が掃引される正弦波信号である場合には、この積分手段２の出力は、振幅が周波数の２乗分の１で減衰する周波数掃引波形となる。
【００１２】
３はトランスバーサルフィルタなどにより構成された第１のフィルタ部であり、その各タップの出力に対して演算部４において算出された係数が乗算されるようになされている。
４は、試験機部１０の入力と出力とから、試験機部１０の伝達関数Ｈを推定し、第１のフィルタ部３の伝達関数が１／Ｈとなるように、前記フィルタ部３の各タップの係数を算出する演算部である。すなわち、試験の開始前に、試験機部１０に対して、単位インパルスに相当する入力を印加してその応答出力を観測することにより試験機部１０の初期伝達関数Ｈ’を測定し、伝達関数が１／Ｈ’となるように前記フィルタ部３のタップ数および各タップ係数の初期値を決定する。そして、試験が開始された後は、ＬＳＭ法（least square method：最小２乗法）などを用いて、前記試験機部１０の入力と出力とからリアルタイムでその伝達関数Ｈを推定し、フィルタ部３の伝達関数が１／Ｈとなるように前記フィルタ部３の各タップの係数を算出する。なお、この演算部の出力は、後述する第２のフィルタ部８にも供給されている。
５は前記第１のフィルタ部３の出力から後述するひずみ補正要素発生部９の出力を減算する第１の減算器であり、この第１の減算器５の出力が試験機部１０の加算点１３に入力される。
【００１３】
試験機部１０において、１３は加算点、１４はＰＩＤ調節部、１５はサーボバルブ、１６はアクチュエータ、１７はピストン、１８は変位センサ、１９は変位用センサアンプである。また、２０は前記ピストン１７などに取り付けられた加速度センサであり、試料に印加される加速度を検出する。
前記第１の減算器５の出力は、前記加算点１３において、前記センサ用アンプ１９からのデジタルデータに変換された変位センサの出力信号Ｅｓと減算され、誤差信号Ｅｒが前記ＰＩＤ調節部１４を介してサーボバルブ１５に出力される。これにより、前記アクチュエータ１６が駆動され、試料に載荷される。試料の変位は変位センサ１８で検知され、変位センサ用アンプ１９を介してデジタル信号に変換されて前記加算点１３に供給される。このように試験機部１０において変位フィードバック制御が行われている。
【００１４】
前述のように、試験機部１０の伝達関数Ｈが試験の進行に伴って変化したとしても、非線形ひずみが存在しない系においては、前記関数発生器１、第１の積分手段２、第１のフィルタ部３、演算部４、試験機部１０による経路で、前記入力波形Ｅｉと前記加速度センサ２０からの出力波形とは、振幅比も含め、完全に一致するはずである。ただし、前記フィルタ部３のトランスバーサルフィルタのタップ数分の遅延は存在している。
【００１５】
しかしながら、前述のように試験機部１０には非線形要素が含まれているため、本発明では、減算器６、第２の積分手段７、第２のフィルタ部８、ひずみ補正要素発生部９を設け、前記フィルタ部３の出力から前記ひずみ補正要素発生部９の出力を減算器５で減算して、前記試験機部１０に供給するようにしている。
【００１６】
すなわち、前記入力波形（関数発生器１の出力Ｅｉ）と出力波形（加速度センサ２０の出力）とで一致しない部分があれば、それは非線形要素による誤差信号であるから、前記関数発生器１からの入力波形Ｅｉから前記加速度センサ２０の出力を減算器６で減算することにより、非線形性に起因する誤差信号を検出する。次に、第２の積分手段７において２回積分処理を行って前記減算器６からの誤差信号を変位の次元の信号に変換し、さらに、前記フィルタ部４と同一の伝達関数（１／Ｈ）を有する第２のフィルタ部８に入力する。この第２のフィルタ部８のタップ係数も前記第１のフィルタ部３と同様に前記演算部４の出力により制御されており、該第２のフィルタ部８からは前記誤差信号に対する試験機部１０の周波数特性を補正した出力が得られる。そして、この第２のフィルタ部８の出力をひずみ補正要素発生部９に入力する。
【００１７】
ひずみ補正要素発生部９は、前記入力信号Ｅｉの繰り返し周期１周期分のデータを格納することができるメモリ手段により構成されており、前記関数発生器１と同期して読み出されるようになされている。そして、前記第２のフィルタ部８から出力される非線形ひずみに起因する誤差信号に対して所定の補正係数を乗算し、ひずみ補正要素発生部９の対応するアドレスに格納されているデータに加算する。すなわち、繰り返し周期ごとに前記誤差信号が積算されることとなる。
このひずみ補正要素発生部９の出力を前記減算器５に減算入力として供給し、前記第１のフィルタ部３の出力から減算する。これを１周期ごとに繰り返すことにより、前記減算器６の出力はひずみ成分が減算されたものとなり、前記減算器７の出力である誤差信号はゼロに収束することとなる。
なお、前記補正係数を、１／ｎ（例えばｎ＝２）とすることにより、対数関数に従って非線形性に起因する誤差を収束させることができる。
【００１８】
図２は各信号波形の例を示す図であり、（ａ）は前記関数発生器１からの波形信号Ｅｉ、（ｂ）は前記ひずみ補正要素発生部９への入力信号（すなわち、誤差信号）波形、（ｃ）は前記ひずみ補正要素発生部９の出力信号波形の各一例を示している。
図２の（ａ）に示すように、前記関数発生器１の出力Ｅｉは、この図に示す波形を１周期として繰り返す周期波形となっている。また、（ｂ）は、前記第２のフィルタ部８の出力である変位次元に変換された誤差信号の一例を示している。
前述のように、前記ひずみ補正要素発生部９は前記入力波形Ｅｉの１周期分に対応する数のサンプルデータを格納するメモリを有しており、図２の（ｂ）に示す前記第２のフィルタ部８の各サンプル出力に対して、所定の係数（例えば、１／２）を乗算し、それぞれ対応するアドレスに足し込む処理を行う。初期状態では、該メモリの各アドレスには０が格納されているため、第１回目の周期では、前記ひずみ補正要素発生部９の各アドレスには、前記第２のフィルタ部８の出力に所定の係数（１／２）を乗算した値が格納されることとなる。このメモリの各アドレスに格納されたデータは、前記フィルタ部３から出力される変位次元に変換された前記入力波形Ｅｉとタイミングを合わせて読み出され、前記減算器５において、前記変位次元に変換された入力波形Ｅｉから減算されて、前記試験機部１０の加算点１３に制御目標信号として供給される。
【００１９】
以下、上述した処理を繰り返すことにより、前記ひずみ補正要素発生部９から、図２の（ｃ）に示すように、徐々に前記ひずみ成分に起因する誤差信号に漸近するひずみ補正要素データが出力され、前記減算器６の出力は徐々にゼロとなり、図２の（ｂ）に示すように、前記第２のフィルタ部８の出力はゼロに収束していく。このようにして、ｎ回（ｎ周期）繰り返すことにより、ひずみ成分に起因する誤差信号をなくすことが可能となる。したがって、入力波形と出力波形とを一致させることができる。
【００２０】
なお、上述した実施の形態では、関数発生器１からの入力波形Ｅｉが試料に印加される加速度を規定するものである場合について説明したが、本発明は、これに限られることはなく、入力波形Ｅｉが試料の変位あるいは速度を規定するものである場合にも適用することができる。すなわち、入力波形Ｅｉが試料の変位を規定する波形であるときには、前記積分手段２および７を使用せず、また、前記加速度センサ２０ではなく、前記変位センサ１８の出力を前記減算器６に入力すればよい。
また、入力波形Ｅｉが試料の速度を規定する波形であるときは、前記積分手段２および７において、それぞれ、積分処理を１回だけ実行するようにし、また、前記加速度センサ２０に代えて速度センサを用いるか、あるいは、加速度センサ２０の検出出力を１回積分処理した後、前記減算器６に入力すればよい。
さらにまた、上記においては、入力波形が正弦波波形である場合を例にとって説明したが、入力波形として、所定の周期で繰り返される周期波形であれば、どのような波形にも適用することができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の試験装置によれば、システムに内在する非線形ひずみによる影響を取り除き、入力波形と同一の出力波形を得ることが可能となり、試験の信頼性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の試験装置の一実施の形態の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】本発明の試験装置の動作を説明するための波形図であり、（ａ）は入力波形、（ｂ）はひずみ補正要素発生部への入力信号、（ｃ）はひずみ補正要素発生部の出力信号の例を示す図である。
【図３】従来の試験装置の一構成例を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
１関数発生器
２、７積分手段
３演算部
４、８フィルタ部
５、６減算器
９ひずみ補正要素発生部
１０試験機部
１１コントローラ部
１２プラント部
１３加算点
１４ＰＩＤ調節部
１５サーボバルブ
１６アクチュエータ
１７ピストン
１８変位センサ
１９変位用センサアンプ
２０加速度センサ

Claims

所定の繰り返し周期を有する波形信号を発生する波形発生手段と、
試料を加振する変位フィードバック制御の試験機部と、
前記試験機部の伝達関数をＨとしたときに１／Ｈに相当する伝達関数を有する第１のフィルタ部と、
前記波形信号に対応する前記試験機部の出力と前記波形発生手段の出力との差を検出する第１の減算器と、
該第１の減算器の出力が入力され、前記第１のフィルタ部と同一の伝達関数を有する第２のフィルタ部と、
前記所定の繰り返し周期に対応する前記第２のフィルタ部の出力を積算するひずみ補正要素発生部と、
前記第１のフィルタ部の出力から前記ひずみ補正要素発生部の出力を減算して、前記試験機部に出力する第２の減算器と
を有することを特徴とする試験装置。
前記ひずみ補正要素発生部は、前記所定の繰り返し周期に対応する前記第２のフィルタ部の出力に所定の係数を乗算した値を積算するものであることを特徴とする前記請求項１記載の試験装置。
前記波形発生手段より出力される波形信号は、試料に印加する加速度あるいは速度に対応する波形信号であることを特徴とする前記請求項１あるいは２に記載の試験装置。