JP4123099B2 - Material testing machine - Google Patents

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本発明は、電磁力式アクチュエータを使用した材料試験機に関し、さらに詳細には電磁力式アクチュエータをPIDフィードバック制御する材料試験機に関する。   The present invention relates to a material testing machine using an electromagnetic force actuator, and more particularly to a material testing machine that performs PID feedback control of an electromagnetic force actuator.

試験片に任意波形の荷重(試験力)を負荷して疲労強度試験を行う材料試験機では、負荷用アクチュエータとして電気油圧式アクチュエータが一般的に用いられているが、荷重(試験力)の制御精度をより高めるため、近年、電磁力式アクチュエータを使用した材料試験機も普及している。   In material testing machines that perform fatigue strength tests by applying an arbitrary waveform load (test force) to the test piece, electrohydraulic actuators are generally used as load actuators, but control of the load (test force) In recent years, material testing machines using electromagnetic force actuators have become widespread in order to further improve accuracy.

この電磁力式アクチュエータは、コアと永久磁石とヨークで磁気回路を形成し、コアに対して可動なボビンにコイルを巻き回し、コイルに駆動電流を供給することにより、ボビンに荷重(試験力)を発生するようにしたものである。   In this electromagnetic force actuator, a magnetic circuit is formed by a core, a permanent magnet, and a yoke, a coil is wound around a bobbin that is movable with respect to the core, and a driving current is supplied to the coil. Is generated.

電磁力式アクチュエータを材料試験機に使用する場合の制御には、通常、電気油圧式アクチュエータの場合と同様に、PIDフィードバック制御が用いられている。   For the control when the electromagnetic force actuator is used in the material testing machine, PID feedback control is usually used as in the case of the electrohydraulic actuator.

PIDフィードバック制御は、目標信号に対して応答信号(変位信号や荷重信号)をフィードバックして目標信号と応答信号との偏差(制御偏差)がゼロとなるように制御するフィードバック制御方法のひとつであり、偏差に対する比例成分(P)、積分成分(I)、微分成分(D)をそれぞれ適当な比率で組み合わせてフィードバックのゲインを決定し、偏差にフィードバックゲインを乗じた信号を制御信号としてフィードバックすることにより最適な制御を行うようにしている。(例えば特許文献1参照)。   PID feedback control is one of feedback control methods for controlling a deviation (control deviation) between a target signal and a response signal to be zero by feeding back a response signal (displacement signal or load signal) to the target signal. The feedback gain is determined by combining the proportional component (P), the integral component (I), and the differential component (D) with respect to the deviation at appropriate ratios, and a signal obtained by multiplying the deviation by the feedback gain is fed back as a control signal. Therefore, optimal control is performed. (For example, refer to Patent Document 1).

材料試験機のアクチュエータの制御で用いられるPIDフィードバック制御では、オーバーシュート現象によって試験片を破壊しないようにするため、PIDの比率を設定して、オーバーシュートが生じないようにしている。   In PID feedback control used for controlling the actuator of the material testing machine, the PID ratio is set so that overshoot does not occur in order to prevent the specimen from being destroyed by the overshoot phenomenon.

図2は、PIDフィードバック制御を行う電磁力式アクチュエータを用いた従来の材料試験機の制御系の概略構成を説明するブロック図である。   FIG. 2 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a control system of a conventional material testing machine using an electromagnetic force actuator that performs PID feedback control.

この材料試験機は、試験片に荷重(試験力)を与える電磁力式アクチュエータ61、試験片に加わる荷重を検出する荷重センサ62、試験片の変位を検出する変位センサを有する試験機本体部60と、試験片に与える荷重の目標信号を発生する目標信号発生部70と、試験機本体部60の電磁力式アクチュエータ61の駆動信号を生成して出力するフィードバック制御部80とから構成される。   This material testing machine includes an electromagnetic force actuator 61 that applies a load (test force) to a test piece, a load sensor 62 that detects a load applied to the test piece, and a test machine main body 60 that includes a displacement sensor that detects the displacement of the test piece. And a target signal generating unit 70 that generates a target signal of a load applied to the test piece, and a feedback control unit 80 that generates and outputs a drive signal of the electromagnetic force actuator 61 of the tester main body 60.

フィードバック制御部80は、目標信号発生部70からの目標信号と荷重センサ62または変位センサ63のいずれかからの検出信号との偏差(制御偏差)とを求める加算点81、偏差に基づいてPID制御信号を生成し出力するPID制御信号出力部82、PID制御信号を増幅して電磁力式アクチュエータ61に印加して電磁力式アクチュエータ61を駆動するパワーアンプ83とから構成される。   The feedback control unit 80 adds a point 81 for obtaining a deviation (control deviation) between the target signal from the target signal generation unit 70 and the detection signal from either the load sensor 62 or the displacement sensor 63, and PID control based on the deviation. A PID control signal output unit 82 that generates and outputs a signal, and a power amplifier 83 that amplifies the PID control signal and applies it to the electromagnetic actuator 61 to drive the electromagnetic actuator 61.

PID制御信号出力部82は、加算点81での偏差がゼロに近づくようにPID制御信号を出力し、PID制御信号を受けたパワーアンプ83からコイル電流が供給されることで電磁力式アクチュエータ61を駆動する。
特開2000−180328号公報
The PID control signal output unit 82 outputs a PID control signal so that the deviation at the addition point 81 approaches zero, and the electromagnetic current actuator 61 is supplied with a coil current from the power amplifier 83 that has received the PID control signal. Drive.
JP 2000-180328 A

電磁力式アクチュエータでは、無負荷静止状態でアクチュエータの位置制御を行う場合にはコイルに流す電流はほとんど必要ない(アクチュエータの自重を支える電流のみでよい)ため、上述したような従来からなされている通常のPIDフィードバック制御を行うだけで電気油圧式アクチュエータと同様の制御を行うことができる。   In the case of electromagnetic force type actuators, when the actuator position is controlled in a no-load stationary state, almost no current is required to flow through the coil (only current that supports the weight of the actuator is sufficient). The same control as that of the electrohydraulic actuator can be performed only by performing normal PID feedback control.

しかしながら、実際に試験片を取り付けてこれに負荷を与えているときは、たとえ静止状態であっても試験片に負荷荷重を与え続けるためのコイル電流を供給し続けることが必要となる。   However, when a test piece is actually attached and a load is applied thereto, it is necessary to continue supplying a coil current for continuously applying a load to the test piece even in a stationary state.

ところが、通常のPIDフィードバック制御は上述したように目標信号と応答信号との偏差がゼロに近づくように制御信号を出力するものであり、仮に偏差がゼロになると制御信号もゼロとなり、電磁力式アクチュエータのコイルへの駆動電流もゼロ、すなわち荷重(試験力)がゼロになってしまい、負荷荷重が与えられないことになる。   However, the normal PID feedback control outputs a control signal so that the deviation between the target signal and the response signal approaches zero as described above. If the deviation becomes zero, the control signal also becomes zero. The drive current to the coil of the actuator is also zero, that is, the load (test force) becomes zero, and no load is applied.

この矛盾を解決するため、電磁力式アクチュエータでPIDフィードバック制御による制御を行う場合は、積分成分(I)を与えるようにしている。すなわち、比例成分(P)、積分成分(I)、微分成分(D)のうちで、比例成分(P)や微分成分(D)は偏差に急激な変化があるときの瞬時の補正に大きな影響を及ぼすが、積分成分(I)は、逆に定常的な偏差に対するなだらかな補正に影響を及ぼす性質がある。そのため、積分成分(I)のゲイン(時定数)を増やして除々に偏差をゼロにしていくようにしている。つまり、ゆっくりとした積分成分(I)の補正と、急峻な比例成分(P)および微分成分(D)の補正とのバランスにより、フィードバックゲインがゼロにならないようにしてアクチュエータの位置保持を行ったり、アクチュエータを低速度で駆動して試験を行ったりしている。   In order to solve this contradiction, an integral component (I) is provided when control by PID feedback control is performed with an electromagnetic force actuator. That is, among the proportional component (P), the integral component (I), and the differential component (D), the proportional component (P) and the differential component (D) have a great influence on the instantaneous correction when there is a sudden change in the deviation. However, the integral component (I), on the contrary, has a property of affecting a gentle correction for a steady deviation. For this reason, the gain (time constant) of the integral component (I) is increased to gradually reduce the deviation to zero. In other words, the balance between the slow correction of the integral component (I) and the correction of the steep proportional component (P) and the differential component (D) can be used to hold the position of the actuator so that the feedback gain does not become zero. The test is conducted by driving the actuator at a low speed.

しかしながら、目標信号の周波数が高くなると、すなわち試験速度が速くなると、積分成分(I)によるゆっくりとした補正が追従できなくなるため、波形応答が悪くなってしまい、PIDフィードバック制御では目標値へ到達できなくなる場合が生じる。   However, when the frequency of the target signal is increased, that is, when the test speed is increased, the slow correction by the integral component (I) cannot be followed, so that the waveform response is deteriorated, and the target value can be reached by PID feedback control. In some cases, it will disappear.

目標値に到達させるために、むりに比例成分(P)、微分成分(D)のゲインを積分成分(I)のゲインに対して増大すればオーバーシュートやハンチングなどの問題が生じ誤って試験片を破損するおそれもある。   If the gains of proportional component (P) and differential component (D) are increased relative to the gain of integral component (I) in order to reach the target value, problems such as overshoot and hunting will occur and the test piece will be mistakenly There is also a risk of damage.

そこで、本発明は、電磁力式アクチュエータによる材料試験において、従来のPIDフィードバック制御を改良することにより、試験速度がより速くなっても波形応答性が良好であるフィードバック制御を行うようにした材料試験機を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention improves the conventional PID feedback control in a material test using an electromagnetic force actuator, and thereby performs a feedback control in which the waveform response is good even when the test speed is increased. The purpose is to provide a machine.

上記課題を解決するためになされた本発明の材料試験機は、試験片に荷重を与える電磁力式アクチュエータと、電磁力式アクチュエータの制御目標となる目標信号を与える目標信号発生部と、試験片に加わる荷重を検出して荷重信号を出力する荷重センサと、目標信号と荷重信号との偏差に基づいてPID制御信号を出力するPID制御信号出力部と、荷重信号に基づいて加算信号に一定の比率K(0<K<1)を乗じたPID制御信号に加算するように出力する加算信号出力部とを備え、PID制御信号と加算信号との和信号に基づいて電磁力式アクチュエータを駆動するようにしている。 The material testing machine of the present invention made to solve the above problems includes an electromagnetic force actuator that applies a load to a test piece, a target signal generator that provides a target signal that is a control target of the electromagnetic force actuator, and a test piece A load sensor that detects a load applied to the load signal and outputs a load signal; a PID control signal output unit that outputs a PID control signal based on a deviation between the target signal and the load signal; and a constant added signal based on the load signal And an addition signal output unit that outputs the PID control signal multiplied by the ratio K (0 <K <1), and drives the electromagnetic actuator based on the sum signal of the PID control signal and the addition signal. I am doing so.

この材料試験機によれば、試験目的に応じて目標信号発生部から矩形波、サイン波、三角波などの所望の波形、振幅、周波数の目標信号が出力され、荷重センサからは試験片に加わる荷重を検出して荷重信号が出力される。そして、PID制御信号出力部は、目標信号と荷重信号との偏差に基づいてPID制御信号を出力する。一方、加算信号出力部は、荷重信号に基づいて加算信号を出力する。この加算信号は荷重信号を小さくした信号であり、例えば荷重信号に一定の比率K(0<K<1)を乗じた信号が用いられる。   According to this material testing machine, a target signal having a desired waveform, amplitude, and frequency such as a rectangular wave, a sine wave, and a triangular wave is output from the target signal generator according to the test purpose, and a load applied to the test piece from the load sensor. Is detected and a load signal is output. The PID control signal output unit outputs a PID control signal based on the deviation between the target signal and the load signal. On the other hand, the addition signal output unit outputs an addition signal based on the load signal. This addition signal is a signal obtained by reducing the load signal. For example, a signal obtained by multiplying the load signal by a certain ratio K (0 <K <1) is used.

そして、PID制御信号に加算信号を加えた和信号に基づいて電磁力式アクチュエータを駆動するようにする。すなわち、PID制御信号とは別に荷重信号の一部をハンチングしない程度にして正帰還させることで、PID制御信号のみで補償していた偏差の一部を加算信号で補償する。   Then, the electromagnetic force actuator is driven based on the sum signal obtained by adding the addition signal to the PID control signal. That is, apart from the PID control signal, a part of the load signal is positively fed back so as not to hunt, so that a part of the deviation compensated only by the PID control signal is compensated by the addition signal.

したがって、PID制御信号で補償しなければならない偏差が小さくなり、応答波形の立ち上がりが改善され、積分(I)成分による補正の負担が軽減されるので応答波形の追従性を改善することができる。   Therefore, the deviation that must be compensated by the PID control signal is reduced, the rise of the response waveform is improved, and the burden of correction by the integral (I) component is reduced, so that the response waveform can be improved.

また、上記材料試験機において、変位センサと、変位信号と荷重信号とのいずれかを選択するスイッチとをさらに設け、目標信号とスイッチにより選択された荷重信号または変位信号のいずれかとの偏差に基づいてPID制御信号を出力し、このPID制御信号に加算信号を加えて和信号としてもよい。   The material testing machine further includes a displacement sensor and a switch for selecting either the displacement signal or the load signal, and is based on a deviation between the target signal and either the load signal or the displacement signal selected by the switch. Then, a PID control signal may be output, and an addition signal may be added to the PID control signal to obtain a sum signal.

これによれば、スイッチ選択により、荷重信号による荷重フィードバック制御だけではなく、変位信号による変位フィードバック制御において負荷荷重が加わった場合にも同様の制御を行うことができる。   According to this, not only the load feedback control based on the load signal but also the control similar to the case where a load load is applied in the displacement feedback control based on the displacement signal can be performed by selecting the switch.

本発明の材料試験機によれば、加算信号出力部からの加算信号をPID制御信号に加えることにより、試験速度が速い材料試験の場合でも制御の追従性がよくなり、応答波形が良好な材料試験を行うことが可能となる。   According to the material testing machine of the present invention, by adding the addition signal from the addition signal output unit to the PID control signal, even in the case of a material test with a high test speed, the control followability is improved and the response waveform is good. A test can be performed.

また、実際の負荷(試験力)をフィードバックさせることにより応答波形を改善しているため、負荷がない場合、試験中に試験片が破断して負荷がゼロになった場合にも暴走現象等が発生しにくくなり、制御に悪影響を与えることがない。   In addition, since the response waveform is improved by feeding back the actual load (test force), the runaway phenomenon may occur even when there is no load or the test piece breaks during the test and the load becomes zero. It does not easily occur and does not adversely affect the control.

以下、本発明の材料試験機について図面を用いて説明する。   Hereinafter, the material testing machine of this invention is demonstrated using drawing.

図1は本発明の一実施形態である電磁力式アクチュエータを用いた材料試験機の構成を示す図である。この材料試験機は、試験片に負荷を与える試験機本体部10と、その制御を行う制御系とからなる。制御系には、試験片に与える負荷の目標信号を発生する目標信号発生部30と、試験機本体部10の電磁力式アクチュエータ12の駆動信号を生成するフィードバック制御部50とが含まれる。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a material testing machine using an electromagnetic force actuator according to an embodiment of the present invention. This material testing machine includes a testing machine main body 10 that applies a load to a test piece and a control system that controls the testing machine. The control system includes a target signal generating unit 30 that generates a target signal of a load to be applied to the test piece, and a feedback control unit 50 that generates a drive signal for the electromagnetic force actuator 12 of the testing machine main body unit 10.

試験機本体部10は、フレーム11により支持される電磁力式アクチュエータ12を有する。電磁力アクチュエータ12は、ピストンロッド13を鉛直方向に駆動できるようにしてある。すなわち電磁力式アクチュエータ12内には、図示しない円筒状のボビン、ボビンに巻かれたコイル、コイル位置に磁場(B)を形成する磁気回路が形成されており、ボビンはボビンの中心軸に沿ってかつ鉛直方向に向けてピストンロッド13を固定している。   The testing machine main body 10 has an electromagnetic force actuator 12 supported by a frame 11. The electromagnetic force actuator 12 can drive the piston rod 13 in the vertical direction. That is, in the electromagnetic force actuator 12, a cylindrical bobbin (not shown), a coil wound around the bobbin, and a magnetic circuit for forming a magnetic field (B) at the coil position are formed, and the bobbin follows the central axis of the bobbin. The piston rod 13 is fixed in the vertical direction.

このコイルに駆動電流(A)を流すことによりボビンに推力(F)が発生し、ボビンに固定されたピストンロッド13に上下方向の推力が伝達される。   By causing a drive current (A) to flow through this coil, a thrust (F) is generated in the bobbin, and the vertical thrust is transmitted to the piston rod 13 fixed to the bobbin.

コイルの長さをLとすると、推力Fは、次式で表される。   When the length of the coil is L, the thrust F is expressed by the following equation.

F=A・B・L
すなわち、コイル電流(A)に比例した推力(F)がピストンロッド13に伝達される。
F = A ・ B ・ L
That is, a thrust (F) proportional to the coil current (A) is transmitted to the piston rod 13.

また、フレーム11には、変位センサ14が取り付けてあり、変位センサ14はピストンロッド13の変位(ロッド上端の変位)を検出してフィードバック制御部50に出力する。   Further, a displacement sensor 14 is attached to the frame 11, and the displacement sensor 14 detects the displacement of the piston rod 13 (displacement of the upper end of the rod) and outputs it to the feedback control unit 50.

ピストンロッド13の下方には試験治具15上に載置された試験片TPがあり、ピストンロッド13が下降していくと試験片TPに当接するようになっている。ピストンロッド13と試験片TPとが当接した状態では、ピストンロッド13の変位と試験片TPの変位とが一致するので、当接状態の変位センサ14の出力信号は試験片TPの変位を表すことになる。なお、試験片の形状はさまざまであり、試験治具15も試験片の形状に応じてさまざまな形状、構造のものが利用できることはいうまでもない。   Below the piston rod 13 is a test piece TP placed on the test jig 15, and comes into contact with the test piece TP when the piston rod 13 is lowered. When the piston rod 13 and the test piece TP are in contact, the displacement of the piston rod 13 and the displacement of the test piece TP coincide with each other. Therefore, the output signal of the displacement sensor 14 in the contact state represents the displacement of the test piece TP. It will be. Needless to say, the shape of the test piece is various, and the test jig 15 can have various shapes and structures depending on the shape of the test piece.

ピストンロッド13の下端近傍には荷重センサ16(例えばロードセル)が設けられ、荷重センサ16は負荷荷重を検出してフィードバック制御部50に出力する。   A load sensor 16 (for example, a load cell) is provided in the vicinity of the lower end of the piston rod 13, and the load sensor 16 detects the load load and outputs it to the feedback control unit 50.

目標信号発生部30は、目標設定を行うための図示しない公知の設定部と信号形成回路とを有し、材料試験の目的に応じて波形、振幅、周波数、変位、荷重の平均値などの必要な情報を設定することにより、設定情報に応じた目標信号が出力できるようにしてある。   The target signal generating unit 30 has a known setting unit (not shown) and a signal forming circuit for setting a target, and needs a waveform, amplitude, frequency, displacement, average value of load, etc. according to the purpose of the material test. By setting various information, a target signal corresponding to the setting information can be output.

フィードバック制御部50は、荷重センサ16で検出された荷重信号を増幅して出力する荷重アンプ51、変位センサ14で検出された変位信号を増幅して出力する変位アンプ52、荷重アンプ51からの荷重信号と変位アンプ52からの荷重信号のいずれかを選択的に取り出すためのスイッチ53、目標信号発生部30から供給される目標信号と、荷重信号または変位信号との偏差(制御偏差)を算出する加算点51、算出された偏差に基づいてP、I、Dそれぞれのゲインを算出し、あらかじめ設定した所定の比率で組み合わせることによりフィードバックゲインを算出してPID制御信号を出力するPID制御信号出力部55、荷重アンプ51からの荷重信号に対して係数K(0<K<1)をゲインとして乗じた加算信号を出力する加算信号出力部58、PID制御信号に加算信号を正帰還してPID制御信号と加算信号との和信号を算出する第2加算点56、第2加算点56で算出された和信号を増幅して電磁力式アクチュエータ12のコイル電流を出力するパワーアンプ57とからなる。   The feedback control unit 50 amplifies and outputs the load signal detected by the load sensor 16, the displacement amplifier 52 that amplifies and outputs the displacement signal detected by the displacement sensor 14, and the load from the load amplifier 51. The deviation (control deviation) between the load signal or the displacement signal and the switch 53 for selectively extracting either the signal or the load signal from the displacement amplifier 52 and the target signal supplied from the target signal generator 30 is calculated. A PID control signal output unit that calculates the gain of each of P, I, and D based on the added point 51 and the calculated deviation, and outputs a PID control signal by calculating a feedback gain by combining them at a predetermined ratio set in advance 55, an add signal that multiplies the load signal from the load amplifier 51 by a coefficient K (0 <K <1) as a gain. The signal output unit 58 positively feeds back the addition signal to the PID control signal, a second addition point 56 for calculating the sum signal of the PID control signal and the addition signal, and the sum signal calculated at the second addition point 56 is amplified. The power amplifier 57 outputs a coil current of the electromagnetic force actuator 12.

次に、フィードバック制御部50による制御動作について説明する。荷重フィードバック制御を行うか変位フィードバック制御を行うかが選択されると、制御系によりスイッチ53が手動又は自動で切り替えられ、荷重アンプ51からの荷重信号、変位アンプ52からの変位信号のいずれかが加算点54に送られる。   Next, the control operation by the feedback control unit 50 will be described. When the load feedback control or the displacement feedback control is selected, the switch 53 is manually or automatically switched by the control system, and either the load signal from the load amplifier 51 or the displacement signal from the displacement amplifier 52 is selected. It is sent to the addition point 54.

加算点54では、目標信号発生部30からの目標信号に対して荷重信号あるいは変位信号を負帰還することにより偏差(制御偏差)を算出する。   At the addition point 54, a deviation (control deviation) is calculated by negatively feeding back a load signal or a displacement signal with respect to the target signal from the target signal generator 30.

PID制御信号出力部55は、あらかじめP、I、D成分ごとにゲイン係数が設定してあり、これらの各係数と加算点54で算出された偏差との演算によりフィードバックゲインを算出してPID制御信号として第2加算点56に出力する。
する。
The PID control signal output unit 55 has gain coefficients set in advance for each of the P, I, and D components, and calculates a feedback gain by calculating each of these coefficients and the deviation calculated at the addition point 54 to perform PID control. A signal is output to the second addition point 56 as a signal.
To do.

加算信号出力部58は、あらかじめ設定された係数Kを荷重信号に乗じた加算信号を算出し、これを第2加算点56に出力する。Kの値を1以下の適当な値に設定することにより、加算信号は荷重信号を減衰させた信号として正帰還することになる。なお、Kの値を1以上にして第2加算点56に正帰還すると電磁力式アクチュエータへのフィードバック制御信号は目標値に収束することができずにハンチングしてしまうので1未満に設定してある。このKの値は、0.1〜0.9程度であるのが好ましい。   The addition signal output unit 58 calculates an addition signal obtained by multiplying the load coefficient by a preset coefficient K, and outputs this to the second addition point 56. By setting the value of K to an appropriate value of 1 or less, the added signal is positively fed back as a signal obtained by attenuating the load signal. If the value of K is set to 1 or more and positive feedback is made to the second addition point 56, the feedback control signal to the electromagnetic actuator will not converge to the target value and will be hunted. is there. The value of K is preferably about 0.1 to 0.9.

なお、本実施形態での加算信号には、荷重信号に係数Kを乗じた値を用いているがこれに限られず、荷重信号に基づいて加算信号を算出する際に、波形や目標信号の周波数などの影響も加味して加算信号を算出するようにしてもよい。   In addition, although the value which multiplied the coefficient K to the load signal is used for the addition signal in this embodiment, it is not restricted to this, When calculating an addition signal based on a load signal, the frequency of a waveform or a target signal The addition signal may be calculated in consideration of the influence of the above.

第2加算点56では、PID制御信号に加算信号を正帰還させて和信号を算出し、これをパワーアンプ57に送る。パワーアンプ57は和信号を増幅して電磁力式アクチュエータのコイル電流として出力する。   At the second addition point 56, a sum signal is calculated by positively feeding back the addition signal to the PID control signal, and this is sent to the power amplifier 57. The power amplifier 57 amplifies the sum signal and outputs it as a coil current of the electromagnetic actuator.

このようにして、電磁力式アクチュエータにかかる負荷荷重を減衰させた加算信号をフィードバック制御のループに加算することにより、電磁力式アクチュエータの負荷荷重に応じた制御出力信号の補償を働かせる。これによりPID制御信号による補正の軽減、特に積分(I)成分の応答の負担を軽減させ、波形応答を改善するようにする。   In this manner, by adding the addition signal obtained by attenuating the load applied to the electromagnetic force actuator to the feedback control loop, the control output signal is compensated according to the load of the electromagnetic actuator. As a result, the correction by the PID control signal is reduced, especially the burden of the response of the integral (I) component is reduced, and the waveform response is improved.

次に、実際の材料試験機により各種条件で試験片を計測したときの波形データに基づいて、荷重およびコイル電流の応答特性について説明する。   Next, the response characteristics of the load and the coil current will be described based on waveform data obtained when the test piece is measured under various conditions using an actual material testing machine.

図3、図4は、目標信号として方形波を与えたときの応答波形とコイルの電流信号を示す図であり、図3は負荷荷重がかかっているときの荷重フィードバック制御(試験力制御)を、図4は無負荷での変位フィードバック制御を示す図である。   3 and 4 are diagrams showing a response waveform and a coil current signal when a square wave is given as a target signal, and FIG. 3 shows load feedback control (test force control) when a load is applied. FIG. 4 is a diagram showing displacement feedback control without load.

荷重フィードバック制御の場合は、応答波形と電流信号波形とが同じような波形形状をしている。これは、電磁力式アクチュエータでは、荷重(試験力)とコイル電流とが比例関係にあり、荷重を持続する限りコイル電流も持続する必要があることに起因している。   In the case of load feedback control, the response waveform and the current signal waveform have the same waveform shape. This is because in an electromagnetic actuator, the load (test force) and the coil current are in a proportional relationship, and the coil current must be maintained as long as the load is maintained.

一方、無負荷での変位フィードバック制御は、応答波形を微分した波形が電流信号波形となっている。無負荷では電磁力式アクチュエータにかかる荷重(試験力)がゼロであり、コイル電流もゼロとなる。ただ、方形波の立ち上がり、立下りに対応して電磁力式アクチュエータの位置が変位するので、その変位の際に必要なコイル電流がパルス的に流れている。   On the other hand, in the displacement feedback control with no load, a waveform obtained by differentiating the response waveform is a current signal waveform. With no load, the load (test force) applied to the electromagnetic actuator is zero, and the coil current is zero. However, since the position of the electromagnetic actuator is displaced corresponding to the rising and falling of the square wave, the coil current necessary for the displacement flows in a pulsed manner.

通常の(電気油圧式アクチュエータで用いられる)PIDフィードバック制御の場合、電流(制御)信号が図4の無負荷状態のときの波形形状の応答になることが前提となっているため、電流(制御)信号が図3の荷重がかかっているときのような電流(制御)信号の応答になる場合には、応答特性が悪くなってしまう。   In the case of normal PID feedback control (used in an electrohydraulic actuator), it is assumed that the current (control) signal is a waveform-shaped response in the no-load state of FIG. ) When the signal is a response of the current (control) signal as in the case where the load in FIG. 3 is applied, the response characteristic is deteriorated.

すなわち、図3に見られるような方形波を与えた場合に、荷重(試験力)はある程度の値までは急峻に立ち上がり、そこから目標値まではなだらかに収束するような波形になっている。ここで、最初の急峻な立ち上がりはPIDフィードバック制御のうち、比例成分(P)と微分成分(D)による急峻な補正が働いた変化であり、なだらかに収束する波形部分は、積分成分(I)によるゆるやかな補正が働いた変化である。   That is, when a square wave as shown in FIG. 3 is given, the load (test force) rises steeply up to a certain value and then gradually converges from there to the target value. Here, the first steep rise is a change in which the steep correction by the proportional component (P) and the differential component (D) is performed in the PID feedback control, and the waveform portion that converges gently is the integral component (I). This is a change with a gentle correction by.

次に、材料試験の試験速度や本発明の加算信号による応答波形への影響について、実際の測定データを用いて説明する。   Next, the influence on the response waveform due to the test speed of the material test and the addition signal of the present invention will be described using actual measurement data.

図5、図6、図7は、1Hzの矩形波の目標信号を与えたときの荷重フィードバック制御による応答波形と加算信号出力部の係数Kとの関係を示す図であり、図5はK=0(加算信号がゼロ)、図6はK=0.25、図7はK=0.5とした場合の応答波形を示している。   5, 6, and 7 are diagrams illustrating the relationship between the response waveform by the load feedback control and the coefficient K of the addition signal output unit when a 1 Hz rectangular wave target signal is given, and FIG. FIG. 6 shows response waveforms when 0 (addition signal is zero), FIG. 6 shows K = 0.25, and FIG. 7 shows K = 0.5.

ここで、矩形波の目標信号の周波数は試験速度に相当し、周波数が高くなるほど試験速度が速くなることを意味する。   Here, the frequency of the rectangular wave target signal corresponds to the test speed, and the higher the frequency, the higher the test speed.

また、係数Kを大きくするほど、PID制御信号に対する加算信号の影響を大きくしたフィードバック制御を行うことになる。   Further, as the coefficient K is increased, feedback control is performed in which the influence of the addition signal on the PID control signal is increased.

図5、図6、図7の試験力(荷重)波形を比較すれば、係数Kが増すにつれて立ち上がり時の急峻さが増すとともに、その後の目標値に収束していくなだらかな部分が小さくなっている。特にK=0.5(図7参照)では、ほぼ方形波になるまで改善されている。   Comparing the test force (load) waveforms of FIGS. 5, 6, and 7, as the coefficient K increases, the steepness at the time of rising increases, and the gentle portion that converges to the target value thereafter becomes smaller. Yes. In particular, when K = 0.5 (see FIG. 7), the waveform is improved to a substantially square wave.

立ち上がりの急峻さが増したのは、PID制御の比例成分(P)と微分成分(D)による補償に加えて加算信号を正帰還したことによる補償が追加されたことによるものであり、これによりその後のPID制御の積分成分(I)による補償の負担が軽減したため、応答波形の追随性が改善され、波形改善の効果が得られたものである。   The increase in the steepness of the rise is due to the addition of compensation due to positive feedback of the addition signal in addition to compensation by the proportional component (P) and differential component (D) of PID control. Since the burden of compensation by the integration component (I) of the subsequent PID control has been reduced, the followability of the response waveform is improved, and the effect of waveform improvement is obtained.

また、図8、図9は、10Hzの矩形波の目標信号を与えたときの荷重フィードバック制御による応答波形であり、図8はK=0(加算信号がゼロ)、図9はK=0.5とした場合の応答波形である。なお、周波数以外の条件は図5と同じである。   8 and 9 show response waveforms by load feedback control when a 10 Hz rectangular wave target signal is given. FIG. 8 shows K = 0 (addition signal is zero), and FIG. 5 is a response waveform when 5. The conditions other than the frequency are the same as in FIG.

図8の場合は加算信号がゼロであって、PID制御信号のみで荷重フィードバック制御を行ったときの応答波形であるが、積分成分(I)によるゆるやかな応答が目標信号の周波数変化に追従できておらず、応答波形は目標値に到達できていない。   In the case of FIG. 8, the addition signal is zero and the response waveform is obtained when the load feedback control is performed using only the PID control signal. However, the slow response due to the integral component (I) can follow the frequency change of the target signal. The response waveform does not reach the target value.

これに対して、図9では加算信号を正帰還したことによる波形の改善がなされており、波形自体はやや歪んでいるものの目標値に到達できている。これも、加算信号の追加により、PID制御の積分成分(I)の負担が軽減し、応答波形の追随性が改善されたものである。   On the other hand, in FIG. 9, the waveform is improved by positively feeding back the added signal, and the waveform itself reaches the target value although it is slightly distorted. This also reduces the burden of the integral component (I) of the PID control by adding the addition signal, and improves the followability of the response waveform.

上記図5から図9の波形データは、荷重フィードバック制御において加算信号を加えた影響を比較したデータであるが、変位フィードバック制御においても同様の加算信号による波形改善を効果を得ることができる。   The waveform data shown in FIGS. 5 to 9 are data comparing the effects of adding the addition signal in the load feedback control. However, the waveform improvement using the same addition signal can also be obtained in the displacement feedback control.

すなわち変位フィードバック制御の場合は、目標信号と変位センサからの変位信号との偏差に基づいてPID制御信号を算出する一方で、荷重センサからの荷重信号に基づいて加算信号を算出するようにして、PID制御信号と加算信号との和信号を求めるようにする。これにより、変位フィードバック制御においても電磁力式アクチュエータの負荷荷重に応じた制御出力信号の補償を働かせて、PID制御信号による補正の軽減、特に積分(I)成分の応答の負担を軽減させることができる。   That is, in the case of displacement feedback control, the PID control signal is calculated based on the deviation between the target signal and the displacement signal from the displacement sensor, while the addition signal is calculated based on the load signal from the load sensor, A sum signal of the PID control signal and the addition signal is obtained. As a result, even in the displacement feedback control, compensation of the control output signal according to the load of the electromagnetic force actuator can be used to reduce the correction by the PID control signal, especially the response of the integral (I) component. it can.

なお、上記実施形態の材料試験機では、荷重フィードバック制御と変位フィードバック制御とをフィードバック制御部のスイッチの切替えにより選択できるようにしているが、荷重フィードバック制御しか行わない場合には、変位センサやスイッチを設ける必要がない。この場合は、試験片に加わる荷重を検出して荷重信号を出力する荷重センサと、目標信号と荷重信号との偏差に基づいてPID制御信号を出力するPID制御信号出力部と、荷重信号に基づいて加算信号を算出してPID制御信号に加算するように出力する加算信号出力部とを備えるようにすればよい。   In the material testing machine of the above embodiment, the load feedback control and the displacement feedback control can be selected by switching the switch of the feedback control unit. However, when only the load feedback control is performed, the displacement sensor or the switch There is no need to provide. In this case, a load sensor that detects a load applied to the test piece and outputs a load signal, a PID control signal output unit that outputs a PID control signal based on a deviation between the target signal and the load signal, and a load signal And an addition signal output unit that calculates the addition signal and outputs it so as to be added to the PID control signal.

本発明によれば、電磁力式アクチュエータを用いた材料試験機において、荷重がかかっているときの波形応答を改善することができるので、試験速度が速い材料試験測定に適用でき、また、測定可能な最高試験速度をより高くした材料試験機を提供することができる。   According to the present invention, in a material testing machine using an electromagnetic force actuator, the waveform response when a load is applied can be improved, so that it can be applied to a material test measurement with a high test speed and can be measured. A material testing machine with a higher maximum test speed can be provided.

本発明の一実施形態である材料試験機の構成を示す図。The figure which shows the structure of the material testing machine which is one Embodiment of this invention. 従来からの材料試験機のPIDフィードバック制御を説明する図。The figure explaining PID feedback control of the conventional material testing machine. 矩形波(1Hz)の目標信号を与えたときの応答波形とコイル電流との関係を示す図(荷重フィードバック制御)。The figure which shows the relationship between a response waveform when giving the target signal of a rectangular wave (1 Hz), and a coil current (load feedback control). 矩形波(1Hz)の目標信号を与えたときの応答波形とコイル電流との関係を示す図(無負荷の変位フィードバック制御)。The figure which shows the relationship between the response waveform when giving the target signal of a rectangular wave (1 Hz), and a coil current (non-load displacement feedback control). 矩形波(1Hz)の目標信号を与えたときの応答波形を示す図(加算信号出力部の係数K=0)。The figure which shows the response waveform when the target signal of a rectangular wave (1 Hz) is given (coefficient K = 0 of an addition signal output part). 矩形波(1Hz)の目標信号を与えたときの応答波形を示す図(加算信号出力部の係数K=0.25)。The figure which shows the response waveform when the target signal of a rectangular wave (1 Hz) is given (coefficient K = 0.25 of an addition signal output part). 矩形波(1Hz)の目標信号を与えたときの応答波形を示す図(加算信号出力部の係数K=0.5)。The figure which shows the response waveform when the target signal of a rectangular wave (1 Hz) is given (coefficient K = 0.5 of an addition signal output part). 矩形波(10Hz)の目標信号を与えたときの応答波形を示す図(加算信号出力部の係数K=0)。The figure which shows the response waveform when the target signal of a rectangular wave (10 Hz) is given (coefficient K = 0 of an addition signal output part). 矩形波(10Hz)の目標信号を与えたときの応答波形を示す図(加算信号出力部の係数K=0.5)。The figure which shows the response waveform when the target signal of a rectangular wave (10Hz) is given (coefficient K = 0.5 of an addition signal output part).

符号の説明Explanation of symbols

10 試験機本体部
12 電磁力式アクチュエータ
13 ピストンロッド
14 変位センサ
16 荷重センサ
30 目標信号発生部
50 フィードバック制御部
53 スイッチ
54 加算点
55 PID制御信号出力部
56 第2加算点
57 パワーアンプ
58 加算信号出力部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Test machine main part 12 Electromagnetic force type actuator 13 Piston rod 14 Displacement sensor 16 Load sensor 30 Target signal generation part 50 Feedback control part 53 Switch 54 Addition point 55 PID control signal output part 56 2nd addition point 57 Power amplifier 58 Addition signal Output section

Claims (2)

試験片に荷重を与える電磁力式アクチュエータと、
電磁力式アクチュエータの制御目標となる目標信号を与える目標信号発生部と、
試験片に加わる荷重を検出して荷重信号を出力する荷重センサと、
目標信号と荷重信号との偏差に基づいてPID制御信号を出力するPID制御信号出力部と、
荷重信号に一定の比率K(0<K<1)を乗じた加算信号をPID制御信号に加算するように出力する加算信号出力部とを備え、
PID制御信号と加算信号との和信号に基づいて電磁力式アクチュエータを駆動することを特徴とする材料試験機。
An electromagnetic actuator that applies a load to the specimen;
A target signal generating unit that provides a target signal that is a control target of the electromagnetic force actuator;
A load sensor that detects a load applied to the test piece and outputs a load signal;
A PID control signal output unit that outputs a PID control signal based on a deviation between the target signal and the load signal;
An addition signal output unit that outputs an addition signal obtained by multiplying the load signal by a constant ratio K (0 <K <1) to the PID control signal;
A material testing machine that drives an electromagnetic force actuator based on a sum signal of a PID control signal and an addition signal.
試験片に荷重を与える電磁力式アクチュエータと、
電磁力式アクチュエータの制御目標となる目標信号を与える目標信号発生部と、
試験片の変位を検出して変位信号を出力する変位センサと、
試験片に加わる荷重を検出して荷重信号を出力する荷重センサと、
変位信号と荷重信号とのいずれかを選択するスイッチと、
スイッチにより選択された荷重信号または変位信号のいずれかと目標信号との偏差に基づいてPID制御信号を出力するPID制御信号出力部と、
荷重信号に一定の比率K(0<K<1)を乗じた加算信号をPID制御信号に加算するように出力する加算信号出力部とを備え、
PID制御信号と加算信号との和信号に基づいて電磁力アクチュエータを駆動することを特徴とする材料試験機。
An electromagnetic actuator that applies a load to the specimen;
A target signal generating unit that provides a target signal that is a control target of the electromagnetic force actuator;
A displacement sensor that detects the displacement of the test piece and outputs a displacement signal;
A load sensor that detects a load applied to the test piece and outputs a load signal;
A switch for selecting either a displacement signal or a load signal;
A PID control signal output unit that outputs a PID control signal based on a deviation between either the load signal or the displacement signal selected by the switch and the target signal;
An addition signal output unit that outputs an addition signal obtained by multiplying the load signal by a constant ratio K (0 <K <1) to the PID control signal;
A material testing machine for driving an electromagnetic force actuator based on a sum signal of a PID control signal and an addition signal.
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