JP6466165B2

JP6466165B2 - Ｐｉｄ制御装置、および、ｐｉｄ制御方法、ならびに、ｐｉｄ制御装置を備えた試験装置

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Publication number: JP6466165B2
Application number: JP2014257401A
Authority: JP
Inventors: 英司中島
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2019-02-06
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Description

本発明は、例えば、金属材料・樹脂材料・複合材料、自動車を構成する部品について行われる、疲労試験・耐久試験・特性試験など各種の試験のための油圧式アクチュエータを備えた試験装置を制御するＰＩＤ制御装置、および、ＰＩＤ制御方法、ならびに、ＰＩＤ制御装置を備えた試験装置に関する。

従来、試験装置として、例えば、金属材料・樹脂材料・複合材料、自動車を構成する部品について、さらには、土木関係（橋桁・橋梁・建物用免震ゴムなど）の構造物について、材料試験・振動試験・疲労試験・特性試験などを行うための各種の試験装置がある。

以下、本明細書において、「試験装置」とは、これらの各種の試験を行うための試験装置を包含した意味で用いられる。

ところで、従来より、ＰＩＤ制御装置として、図１６に示したブロック図のＰＩＤ制御装置１００が提案されている。

すなわち、従来のＰＩＤ制御装置１００は、目標値が入力されるＰＩＤ制御部１０２を備えており、ＰＩＤ制御部１０２では、アクチュエータなどの制御対象１０４に対して、操作量を演算処理して制御対象１０４を制御するように構成されている。

また、ＰＩＤ制御装置１００は、目標値と制御対象１０４の制御量との差を演算して、ＰＩＤ制御部１０２に対して、偏差を出力する加算器１０６を備えている。

なお、図１６では、試験体１０８を制御対象１０４で制御する場合を示しているが、制御対象１０４自体に試験体１０８を含む場合もある。

そして、ＰＩＤ制御部１０２では、加算器１０６から出力された偏差を、比例（Ｐ）制御、積分（Ｉ）制御、微分（Ｄ）制御の組み合わせによって、設定された目標値にフィードバック（制御量）を一致させるように、操作量を演算して、この操作量により制御対象１０４を制御するように構成されている。

このような従来のＰＩＤ制御装置１００では、最適な制御性能を得るためには、ＰＩＤ制御部１０２において、ＰＩＤパラメータを最適な値に設定することが必要である。

すなわち、ＰＩＤ制御部１０２において、比例ゲインＫｐ、積分時間ＴＩ、微分時間ＴＤからなるＰＩＤパラメータを、最適な値に設定することが必要である。

ところで、油圧式アクチュエータのように、ＰＩＤ制御を行うサーボ制御システム（サーボ制御システム（サーボコントローラ））では、動作が速いため、オープンループにすることができないため、プラントで使用されるように、ステップ応答法や周波数応答法が使用できない。

このため、このようなＰＩＤ制御を行うサーボ制御システム（サーボコントローラ）では、ＰＩＤ制御部１０２を比例制御にして、限界感度法を用いるのが一般的である。

限界感度法とは、比例ゲインＫｐを徐々に上げていき、持続振動から発散への変化点である発振限界を調べて、その時の比例ゲインＫｐとリンギング周期を元に、ＰＩＤパラメータを算出する方法である。

すなわち、限界感度法では、図１６に示したようなＰＩＤ制御装置１００において、ＰＩＤ制御部１０２を、比例制御だけの比例（Ｐ）制御状態にする。

そして、例えば、図１７（Ａ）に示したように、方形波信号を目標値として入力して、ＰＩＤ制御部１０２において、比例ゲインＫｐを徐々に増大させていく。

比例ゲインＫｐの増大に伴って、図１７（Ｂ）に示したように、制御対象１０４の制御量の信号波形に、オーバーシュートが発生し始める。

さらに、ＰＩＤ制御部１０２において、比例ゲインＫｐを増大させていくと、図１７（Ｃ）に示したように、そのオーバーシュートが振動的になってリンギングが発生し、さらに比例ゲインＫｐを増大させていくと、リンギングの減衰時間が大きくなる。

さらに、比例ゲインＫｐを増大させていくと、図１７（Ｄ）に示したように、リンギングが減衰しなくなり、振動状態が持続する。そして、さらに、比例ゲインＫｐを増大させていくと、発散を始める。

このように比例ゲインＫｐを徐々に上げていき、持続振動から発散への変化点である発振限界を調べて、その時の比例ゲインＫｐとリンギング周期に基づいて、ＰＩＤパラメータを算出する方法である。

なお、方形波信号を入力せず、目標値入力をゼロとした状態で、比例ゲインＫｐを増大させていく場合においても、制御量の波形の変化は同様であり、持続振動から発散への変化点である発振限界を調べて、ＰＩＤパラメータを算出している。

特開２０１１−１１３１１１号公報特開２０１３−２５７２７９号公報特開２００７−１７０８９１号公報

しかしながら、限界感度法では、比例ゲインを徐々に上げていき、発振限界を調べるため、発振限界付近では何らかの要因で連続発振してしまうため、すぐに比例ゲインをさげなければならない。このため、比例ゲインを下げるのが遅くなると、大きな動作を引き起こしてしまうことになる。

すなわち、油圧式アクチュエータのような油圧サーボ系では、固有振動周波数が、数１０Ｈｚ以上になるので、比例ゲインＫｐを増大させながら、持続振動から発散への変化点を目視で検出し、比例ゲインＫｐの増大を停止させようとしても、操作が遅れ、異常発振を引き起こしてしまうこととなる。

このため、特許文献１（特開２０１１−１１３１１１号公報）では、ＰＩＤ制御装置が開示され、このＰＩＤ制御装置では、ＰＩＤ制御部を比例動作だけを行うＰ制御状態とし、目標値を一定とした状態で、ＰＩＤ制御部の比例ゲインを徐々に増大させるオートチューニング部を備えている。

そして、比例ゲインの増大に応じて、偏差に発生する振動の１周期毎に、その実効値を算出し、この算出した実効値が複数周期にわたって単調増加していることを検出した時に、オートチューニング部による比例ゲインの増大を停止させるように構成されている。すなわち、比例ゲインを急激に下げて発振を止めるようになっている。

しかしながら、時間では、数ミリから１０数ミリではあるが発振しているので、外部にリミッタなども設けて安全策を施すことも必要である。

また、従来のＰＩＤ制御装置１００では、制御対象に対して、変位制御や荷重制御などに切り替えるシステムでは、制御モード毎にチューニングを行わなければならず、煩雑で時間と手間がかかることになる。

本発明は、このような現状に鑑み、油圧サーボ装置、油圧サーボ試験機などにおいて用いられる油圧式アクチュエータのように、高速の応答性と高い精度が必要とされるＰＩＤ制御を行うサーボ制御システム（サーボコントローラ）において、操作の遅れや異常発振を引き起こしてしまうことなく、ＰＩＤパラメータ設定を自動で、迅速にかつ正確に行うことができるＰＩＤ制御装置、および、ＰＩＤ制御方法、ならびに、ＰＩＤ制御装置を備えた試験装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、制御対象が、変位、荷重、速度の制御に切り替えて使用するシステムでも、同時に１回の計測でこれらのパラメータを決定することができ、マルチ制御モードの判定ができるＰＩＤ制御装置、および、ＰＩＤ制御方法、ならびに、ＰＩＤ制御装置を備えた試験装置を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、比例ゲインを小さくしても、計測周波数全域で過大な振幅を与えず、かつ計測に十分な振幅を得ることが可能で、ＰＩＤパラメータ設定を自動で、迅速にかつ正確に行うことができるＰＩＤ制御装置、および、ＰＩＤ制御方法、ならびに、ＰＩＤ制御装置を備えた試験装置を提供することを目的とする。

本発明は、前述したような従来技術における課題及び目的を達成するために発明されたものであって、本発明のＰＩＤ制御装置は、
周波数を連続的に変化させる周波数スイープ発振器から構成される発振器と、
前記発振器からの周波数に応じて、制御対象に対して、操作量を演算処理して制御対象を制御するＰＩＤ制御部と、
前記発振器の波形に対する制御対象の制御量の位相と振幅を検出する第１の振幅検出器と、
前記ＰＩＤ制御部の操作量の位相と振幅を検出する第２の振幅検出器とを備え、
前記発振器により周波数を小さい周波数から大きな周波数に連続的に変化させ、
前記ＰＩＤ制御部において、比例制御により、前記発振器からの周波数に応じて、制御対象に対して、操作量を演算処理して制御対象を制御するとともに、
前記第１の振幅検出器によって検出した、前記制御対象の制御量の位相と振幅データから、
前記第２の振幅検出器によって検出した、前記ＰＩＤ制御部の操作量の位相と振幅データを減じることによって、
前記制御対象の特性である位相と振幅データの差分データを得て、
前記差分データに基づいて、限界ゲインと限界周波数を得て、
前記限界ゲインと限界周波数に基づいて、ＰＩＤのパラメータを設定し、
前記設定されたＰＩＤのパラメータに基づいて、ＰＩＤ制御部により制御対象を制御するように構成されていることを特徴とする。

また、本発明のＰＩＤ制御方法は、
周波数を連続的に変化させる周波数スイープ発振器から構成される発振器と、
前記発振器からの周波数に応じて、制御対象に対して、操作量を演算処理して制御対象を制御するＰＩＤ制御部と、
前記発振器の波形に対する制御対象の制御量の位相と振幅を検出する第１の振幅検出器と、
前記ＰＩＤ制御部の操作量の位相と振幅を検出する第２の振幅検出器とを備えたＰＩＤ制御装置を用いて、
前記発振器により周波数を小さい周波数から大きな周波数に連続的に変化させ、
前記ＰＩＤ制御部において、比例制御により、前記発振器からの周波数に応じて、制御対象に対して、操作量を演算処理して制御対象を制御するとともに、
前記第１の振幅検出器によって検出した、前記制御対象の制御量の位相と振幅データから、
前記第２の振幅検出器によって検出した、前記ＰＩＤ制御部の操作量の位相と振幅データを減じることによって、
前記制御対象の特性である位相と振幅データの差分データを得て、
前記差分データに基づいて、限界ゲインと限界周波数を得て、
前記限界ゲインと限界周波数に基づいて、ＰＩＤのパラメータを設定し、
前記設定されたＰＩＤのパラメータに基づいて、ＰＩＤ制御部により制御対象を制御することを特徴とする。

ところで、第１の振幅検出器によって検出した、前記制御対象の制御量の位相と振幅データは、制御対象だけでなく、ＰＩＤ制御装置全体の位相と振幅データである。

従って、第１の振幅検出器によって検出した、前記制御対象の制御量の位相と振幅データから、第２の振幅検出器によって検出した、ＰＩＤ制御部の操作量の位相と振幅データを減じることによって、得られた位相と振幅データの差分データは、制御対象の特性である位相と振幅データである。

この差分データに基づいて、限界ゲインと限界周波数を得て、限界ゲインと限界周波数に基づいて、ＰＩＤのパラメータを設定し、設定されたＰＩＤのパラメータに基づいて、ＰＩＤ制御部により制御対象を制御している。

従って、油圧サーボ装置、油圧サーボ試験機などにおいて用いられる油圧式アクチュエータのように、高速の応答性と高い精度が必要とされるＰＩＤ制御を行うサーボ制御システム（サーボコントローラ）において、操作の遅れや異常発振を引き起こしてしまうことなく、ＰＩＤパラメータ設定を自動で、迅速にかつ正確に行うことができる。

また、本発明では、前記差分データに基づいて、位相データをモニターし、位相が−１８０度に達した時のゲインを限界ゲインとし、その時の発振器の周波数を限界周波数とするように構成されていることを特徴とする。

このように構成することによって、位相が−１８０度でのゲインが、ゲイン余裕となり、この時システムゲインが１になると発振してしまうので、差分データに基づいて、位相データをモニターし、位相が−１８０度に達した時のゲインを限界ゲインとし、その時の発振器の周波数を限界周波数とすればよい。

これにより、操作の遅れや異常発振を引き起こしてしまうことなく、ＰＩＤパラメータ設定を自動で、迅速にかつ正確に行うことができる。

また、本発明では、前記発振器と制御対象との間に、前記制御対象の制御量の計測振幅により、前記発振器の発振波形の振幅を調整し、前記制御対象の制御量の振幅が一定になるように制御するＡＧＣ（Automatic Gain Control）制御部が接続されていることを特徴とする。

ところで、チューニング前は適切なパラメータがわからないので、比例ゲインは小さめに設定をしている。

この場合、周波数を変化させると発振振幅が変動してしまい、そのため得られる振幅、位相データの精度は、その時の振幅が小さいと悪くなり、その結果、位相データが検出できなくなる。

また、制御対象に共振点が存在する場合、設定以上の振幅が出てしまうおそれがある。

このため、このような設定以上の振幅を抑えるために、高速スイープでも対応できるＡＧＣ制御部を併用している。

これにより、比例ゲインを小さくしても、計測周波数全域で過大な振幅を与えず、かつ計測に十分な振幅を得ることが可能で、ＰＩＤパラメータ設定を自動で、迅速にかつ正確に行うことができる。

また、本発明の試験装置は、前述のいずれかに記載のＰＩＤ制御装置を備えたことを特徴とする。

また、本発明の試験装置は、前記制御対象が、試験対象物であることを特徴とする。

本発明によれば、第１の振幅検出器によって検出した、前記制御対象の制御量の位相と振幅データは、制御対象だけでなく、ＰＩＤ制御装置全体の位相と振幅データである。

図１は、本発明のＰＩＤ制御装置の原理を説明するブロック図である。図２は、本発明のＰＩＤ制御装置の実施例を説明するブロック図である。図３は、本発明のＰＩＤ制御装置の別の実施例を説明するブロック図である。図４は、本発明のＰＩＤ制御装置の作動を説明するフローチャートである。図５は、図４のフローチャートにおいて、計測ブロックの作動を説明するフローチャートである。図６は、図４のフローチャートにおいて、ＡＧＣコントロールの作動を説明するフローチャートである。図７は、第１の振幅検出器２０によって検出した、制御対象１６の変位について、周波数に対するゲインと位相の関係を示すグラフである。図８は、第２の振幅検出器２２によって検出した、ＰＩＤ制御部の制御対象に対する操作量について、周波数に対するゲインと位相の関係を示すグラフである。図９は、制御対象の特性である位相と振幅データの差分データについて、周波数に対するゲインと位相の関係を示すグラフである。図１０は、第１の振幅検出器２０によって検出した、制御対象１６の変位について、周波数に対するゲインと位相の関係を示すグラフである。図１１は、制御対象の特性である位相と振幅データの差分データについて、周波数に対するゲインと位相の関係を示すグラフである。図１２は、低速制御時と、例えば、振動試験制御時の動作例を説明する図である。図１３は、低速制御時の目標荷重振幅での変位−荷重特性の一例を示す図である。図１４は、本発明のＰＩＤ制御装置の別の実施例を説明するブロック図である。図１５は、本発明のＰＩＤ制御装置の別の実施例を説明するブロック図である。図１６は、従来のＰＩＤ制御装置の別の実施例を説明するブロック図である。図１７は、限界感度法における出力波形の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいてより詳細に説明する。
（実施例１）

図１は、本発明のＰＩＤ制御装置の原理を説明するブロック図、図２は、本発明のＰＩＤ制御装置の実施例を説明するブロック図である。

先ず、図１のブロックに示したように、ＰＩＤ制御装置１０を構成する。

すなわち、ＰＩＤ制御装置１０は、周波数を連続的に変化させる周波数スイープ発振器から構成される発振器１２を備えている。そして、この発振器１２からの周波数が入力されるＰＩＤ制御部１４を備えている。

また、ＰＩＤ制御部１４では、発振器１２からの周波数に応じて、制御対象１６に対して、操作量を演算処理して制御対象１６を制御するように構成されている。

なお、図１では、試験体１８を制御対象１６で制御する場合を示しているが、制御対象１６自体に試験体１８を含む場合もある。

また、制御対象１６の制御量は、第１の振幅検出器２０にフィードバックされて、第１の振幅検出器２０において、発振器１２の波形に対する制御対象１６の制御量の位相と振幅を検出するように構成されている。なお、図１中、符号１１ａ、１１ｂは、それぞれ加算器を示している。

この場合、発振器１２は、振幅が一定で、周波数が連続的に変化する信号を発振するものであり、例えば、その波形は、正弦波で、正弦波周波数スイープ発振器から構成されている。

また、後述するように、ＰＩＤのパラメータの設定の際には、ＰＩＤ制御部１４は、比例制御だけの比例（Ｐ）制御状態とするように構成されている。

そして、その詳細については、後述するが、限界ゲインと限界周波数に基づいて、ＰＩＤのパラメータを設定し、設定されたＰＩＤのパラメータに基づいて、ＰＩＤ制御部１４により制御対象を制御するように構成されている。

ところで、第１の振幅検出器２０によって検出した、制御対象１６の制御量の位相と振幅データは、制御対象１６だけでなく、ＰＩＤ制御装置１０全体の位相と振幅データである。

従って、このままでは、制御対象１６について正確な位相と振幅データを得ることができず、操作の遅れや異常発振を引き起こしてしまい、ＰＩＤパラメータ設定を自動で、迅速にかつ正確に行うことができない。

このため、本発明のＰＩＤ制御装置１０では、図２のブロックに示した構成としている。

図２に示したように、本発明のＰＩＤ制御装置１０では、周波数を連続的に変化させる周波数スイープ発振器から構成される発振器１２を備えている。そして、この発振器１２からの周波数が入力されるＰＩＤ制御部１４を備えている。

また、ＰＩＤ制御部１４では、発振器１２からの周波数に応じて、制御対象１６に対して、操作量（例えば、変位、荷重、速度）を演算処理して制御対象１６を制御するように構成されている。

なお、図２では、試験体１８を制御対象１６で制御する場合を示しているが、制御対象１６自体に試験体１８を含む場合もある。

また、制御対象１６の制御量は、第１の振幅検出器２０にフィードバックされて、第１の振幅検出器２０において、発振器１２の波形に対する制御対象１６の制御量の位相と振幅を検出するように構成されている。

さらに、ＰＩＤ制御部１４の操作量が、第２の振幅検出器２２にフィードバックされて、第２の振幅検出器２２において、ＰＩＤ制御部１４の操作量の位相と振幅を検出するように構成されている。なお、図２中、符号１１ａは、加算器を示している。

また、ＰＩＤのパラメータの設定の際には、ＰＩＤ制御部１４は、比例制御だけの比例（Ｐ）制御状態とするように構成されている。

そして、その詳細については後述するが、発振器１２により周波数を小さい周波数から大きな周波数に連続的に変化させ、ＰＩＤ制御部１４において、比例制御により、発振器１２からの周波数に応じて、制御対象１６に対して、操作量を演算処理して制御対象１６を制御する。

この際、その詳細については後述するが、第１の振幅検出器２０によって検出した、制御対象１６の制御量の位相と振幅データから、第２の振幅検出器２２によって検出した、ＰＩＤ制御部１４の操作量の位相と振幅データを減じるように構成されている。

そして、これにより、その詳細については後述するが、制御対象１６の特性である位相と振幅データの差分データを得て、差分データに基づいて、限界ゲインと限界周波数を得るように構成されている。

そして、その詳細については、後述するが、限界ゲインと限界周波数に基づいて、ＰＩＤのパラメータを設定し、設定されたＰＩＤのパラメータに基づいて、ＰＩＤ制御部１４により制御対象１６を制御するように構成されている。

このように、第１の振幅検出器２０によって検出した、制御対象１６の制御量の位相と振幅データから、第２の振幅検出器２２によって検出した、ＰＩＤ制御部１４の操作量の位相と振幅データを減じることによって、得られた位相と振幅データの差分データは、制御対象１６の特性である位相と振幅データである。

この差分データに基づいて、限界ゲインと限界周波数を得て、限界ゲインと限界周波数に基づいて、ＰＩＤのパラメータを設定し、設定されたＰＩＤのパラメータに基づいて、ＰＩＤ制御部１４により制御対象１６を制御している。

従って、油圧サーボ装置、油圧サーボ試験機などにおいて用いられる油圧式アクチュエータのように、高速の応答性と高い精度が必要とされるＰＩＤ制御を行うサーボ制御システム（サーボコントローラ）において、操作の遅れや異常発振を引き起こしてしまうことなく、ＰＩＤパラメータ設定を自動で、迅速にかつ正確に行うことができる。
(実施例２)

図３は、本発明のＰＩＤ制御装置の別の実施例を説明するブロック図、図４は、本発明のＰＩＤ制御装置の作動を説明するフローチャート、図５は、図４のフローチャートにおいて、計測ブロックの作動を説明するフローチャート、図６は、図４のフローチャートにおいて、ＡＧＣコントロールの作動を説明するフローチャート、図７は、第１の振幅検出器２０によって検出した、制御対象１６の変位について、周波数に対するゲインと位相の関係を示すグラフ、図８は、第２の振幅検出器２２によって検出した、ＰＩＤ制御部の制御対象に対する操作量について、周波数に対するゲインと位相の関係を示すグラフ、図９は、制御対象の特性である位相と振幅データの差分データについて、周波数に対するゲインと位相の関係を示すグラフである。

この実施例のＰＩＤ制御装置１０は、図１〜図２に示したＰＩＤ制御装置１０と基本的には同様な構成であり、同一の構成部材には、同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。

この実施例のＰＩＤ制御装置１０では、図３に示したように、発振器１２と制御対象１６との間に、制御対象１６の制御量の計測振幅により、発振器１２の発振波形の振幅を調整し、制御対象１６の制御量の振幅が一定になるように制御するＡＧＣ（Automatic Gain Control）制御部２４が接続されている。

すなわち、チューニング前は適切なパラメータがわからないので、比例ゲインは小さめに設定をしている。この場合、周波数を変化させると発振振幅が変動してしまい、そのため得られる振幅、位相データの精度は、その時の振幅が小さいと悪くなり、その結果、位相データが検出できなくなる。

また、制御対象１６に共振点が存在する場合、設定以上の振幅が出てしまうおそれがある。

このため、このような設定以上の振幅を抑えるために、高速スイープでも対応できるＡＧＣ制御部２４を併用している。

このように構成されるＰＩＤ制御装置１０について、以下にその作動について詳細に説明する。

先ず、図４のフローチャートに示したように、ステップＳ１において開始され、ステップＳ２において、スイープ発振器（発振器１２）がスタートされる。

すなわち、発振器１２により周波数を小さい周波数から大きな周波数に連続的に変化させる。

そして、ステップＳ３において、計測が行われる。すなわち、制御対象１６の制御量は、第１の振幅検出器２０にフィードバックされて、第１の振幅検出器２０において、発振器１２の波形に対する制御対象１６の制御量の位相と振幅を検出するように構成されている。

さらに、ＰＩＤ制御部１４の操作量が、第２の振幅検出器２２にフィードバックされて、第２の振幅検出器２２において、ＰＩＤ制御部１４の操作量の位相と振幅を検出するように構成されている。

そして、ステップＳ４において、発振器１２により発振された周波数について、１周期が終了したか否かが判断される。ステップＳ４において、１周期が終了していないと判断された場合には、ステップＳ３に戻り、再び計測が行われる。

一方、ステップＳ４において、１周期が終了したと判断された場合には、ステップＳ５において、位相と振幅の計算が行われる。

すなわち、第１の振幅検出器２０によって検出した、制御対象１６の制御量の位相と振幅データから、第２の振幅検出器２２によって検出した、ＰＩＤ制御部１４の操作量の位相と振幅データを減じるように構成されている。

そして、これにより、制御対象１６の特性である位相と振幅データの差分データを得るように構成されている。

そして、ステップＳ６において、位相が１８０度を超えたか否かが判断され、ステップＳ６において、位相が１８０度を超えた場合には、ステップＳ７に進む。この際、差分データに基づいて、位相データをモニターし、位相が−１８０度に達した時のゲインを限界ゲインとし、その時の発振器の周波数を限界周波数とするように構成されている。

すなわち、位相が−１８０度でのゲインが、ゲイン余裕となり、この時システムゲインが１になると発振してしまうので、差分データに基づいて、位相データをモニターし、位相が−１８０度に達した時のゲインを限界ゲインとし、その時の発振器の周波数を限界周波数とすればよい。

そして、ステップＳ７において、限界ゲインと限界周波数に基づいて、ＰＩＤのパラメータを設定し、ステップＳ８において終了する。

一方、ステップＳ６において、位相が１８０度を超えていないと判断された場合には、ステップＳ９に進み、ＡＧＣコントロールされる。

すなわち、ステップＳ９において、制御対象１６の制御量の計測振幅により、発振器１２の発振波形の振幅を調整し、制御対象１６の制御量の振幅が一定になるように制御される。

そして、ステップＳ９において、制御対象１６の制御量の振幅が一定になるように制御された後、ステップＳ３に戻り、再び計測が行われる。

このように設定され、メモリなどに記憶されたたＰＩＤのパラメータに基づいて、ＰＩＤ制御部１４により制御対象１６を制御して、実際に試験体１８について、各種の試験が行われる。

この場合、図４のステップＳ３における計測は、図５に示したフローチャートのように行われる。

すなわち、図５のステップＳ１０において開始され、ステップＳ１１において、発振器１２の発振波形の設定振幅の設定値θが保存される。

そして、ステップＳ１２において、発振器１２からの周波数に応じて、制御対象１６に対する、操作量（例えば、変位、荷重、速度）を演算処理して、操作量を保存する。

また、ステップＳ１３において、発振器１２の波形に対する制御対象１６の制御量（例えば、変位、荷重、速度）を演算処理して、保存する。

そして、ステップＳ１４において、１制御サンプルウェイトが行われ、ステップＳ１５において、終了する。

すなわち、各サンプリング毎に設定量、操作量の計算、制御量（変位、荷重など）の計測を行い、その値を記録する。なお、設定量は、ファンクション発生器によるフェーズ信号（θ）を用いている。

また、図４のステップＳ９のＡＧＣコントロールは、図６に示したフローチャートのように行われる。

すなわち、図６のステップＳ１６において開始され、ステップＳ１７において、制御対象１６の制御量の振幅が計算される。そして、ステップＳ１８において、振幅設定補正がなされる。

すなわち、ステップＳ１８において制御対象１６の制御量の計測振幅により、発振器１２の発振波形の振幅を調整し、制御対象１６の制御量の制御量振幅が一定になるようにコントロールするようになっている。そして、ステップＳ１９において終了する。

また、図４のステップＳ５の位相と振幅の計算は下記のように行われる。

すなわち、例えば、本出願人が既に出願した特許文献３（特開２００７−１７０８９１号公報）に開示したような、演算方法に基づいて行えばよい。

すなわち、発振器１２は、例えば、正弦波ｓｉｎθの波形サンプルデータを記憶している波形メモリを備え、この波形メモリから各サンプリングタイミングにおける位相に対応した波形サンプルを読み出して出力する。

そして、制御対象１６に入力される入力波のサンプルデータｆｓｉｎと、この入力波と位相が９０°異なる信号のサンプルデータｆｃｏｓと、各サンプリングタイミングにおける入力波の位相角の変化量Δθを、出力するように構成されている。なお、各サンプリングタイミング間のサンプリング間隔は一定である。

そして、発振器１２から出力された入力波のサンプルデータｆｓｉｎは、図示しないＤ／Ａ変換器やアクチュエータなどを介して、制御対象１６に供給される。

また、入力スイープ波のサンプルデータｆｓｉｎと、この入力スイープ波と位相が９０°異なる信号のサンプルデータｆｃｏｓと、各サンプリングタイミングにおける入力スイープ波の位相角の変化量Δθの各データは、図示しない演算装置に供給される。

一方、制御対象１６からは、入力波に対する応答波のサンプルデータｆｏが、図示しない演算装置に入力される。

すなわち、制御対象１６に取り付けられたセンサの出力が図示しないＡ／Ｄ変換器を介して演算装置に供給される。

そして、演算装置では、入力波のサンプルデータｆｓｉｎと、応答波のサンプルデータｆｏと、位相角の変化量Δθが乗算される。

そして、この乗算結果（ｆｓｉｎ×ｆｏ×Δθ）は、所定期間分積算される。

なお、この積算期間は、入力波の１／２周期の正の整数倍の期間であればよく、例えば、１周期である。

また、入力波と位相が９０°異なる信号のサンプルデータｆｃｏｓと、応答波のサンプルデータｆｏと、位相角の変化量Δθは、乗算される。

そして、乗算結果（ｆｃｏｓ×ｆｏ×Δθ）は、同様に所定の期間（例えば、１周期）分積算される。

そして、積算結果Ｆｓ（＝Σ（ｆｏ×ｆｓｉｎ×Δθ））と、積算結果Ｆｃ（＝Σ（ｆｏ×ｆｃｏｓ×Δθ））は、図示しない演算器において、応答波ｆｏの振幅Ａと、応答波ｆｏの位相差δが次の数式に基づいて算出される。

すなわち、発振器１２からの発振波形の１周期終了毎のデータを、下記の数式に基づいて、加算している。

ここで、Ａは、応答波ｆ_０の振幅、δは、応答波ｆ_０の位相差であり、ｆ_０は、制御対象１６から出力される応答波の計測データ、Δθは、各サンプリングタイミングにおける位相の変化量のデータ、ｆｓｉｎは、スイープ波のサンプルデータ、ｆｃｏｓは、スイープ波と位相が９０°異なる波形のサンプルデータである。

そして、これらの数式により、ＰＩＤ制御部１４の操作量と、制御対象１６の制御量について、それぞれのゲインと位相を計算する。

この制御量のゲインと位相から、操作量のゲインと位相を減じることにより、制御対象１６の位相とゲインを求めるように構成されている。

すなわち、第１の振幅検出器２０において検出された、発振器１２の波形に対する制御対象１６の制御量（変位）の位相と振幅は、図７に示したようになっている。なお、図７〜図１１に示したグラフにおいて、実線は、ゲイン、破線は、位相を示している。

すなわち、図７は、第１の振幅検出器２０によって検出した、制御対象１６の変位について、周波数に対するゲインと位相の関係を示すグラフである。

このため、本発明のＰＩＤ制御装置１０では、ＰＩＤ制御部１４の操作量が、第２の振幅検出器２２にフィードバックされて、第２の振幅検出器２２において、ＰＩＤ制御部１４の操作量の位相と振幅を検出するように構成されている。

すなわち、図８は、第２の振幅検出器２２によって検出した、ＰＩＤ制御部の制御対象に対する操作量について、周波数に対するゲインと位相の関係を示すグラフである。

そして、第１の振幅検出器２０によって検出した、制御対象１６の制御量の位相と振幅データから、第２の振幅検出器２２によって検出した、ＰＩＤ制御部１４の操作量の位相と振幅データを減じるように構成されている。

すなわち、図９は、制御対象の特性である位相と振幅データの差分データについて、周波数に対するゲインと位相の関係を示すグラフである。

そして、図９において、位相データをモニターし、位相が−１８０度に達した時のゲインを限界ゲインとし（図９のＡ点参照）、その時の発振器の周波数を限界周波数とするように構成されている。

そして、限界ゲインと限界周波数に基づいて、ＰＩＤのパラメータを設定し、設定されたＰＩＤのパラメータに基づいて、ＰＩＤ制御部１４により制御対象１６を制御するように構成されている。

このように構成することによって、発振器１２からの発振波形の１周期終了毎のデータを、前述の数式に基づいて、加算して、ＰＩＤ制御部１４の操作量と、制御対象１６の制御量について、それぞれのゲインと位相を計算している。

そして、制御量のゲインと位相から、操作量のゲインと位相を減じることにより、制御対象１６の位相とゲインを求めている。

従って、操作の遅れや異常発振を引き起こしてしまうことなく、ＰＩＤパラメータ設定を自動で、迅速にかつより正確に行うことができる。

なお、図７〜図９のグラフは、制御対象１６の制御量を変位に関して説明したが、制御対象１６の制御量を、変位以外にも、例えば、荷重、速度に適用することも可能である。

例えば、図８、図１０〜図１１に示したように、制御対象１６の制御量を、荷重に対して適用することができる。

すなわち、図１０は、第１の振幅検出器２０によって検出した、制御対象１６の変位について、周波数に対するゲインと位相の関係を示すグラフ、図１１は、制御対象の特性である位相と振幅データの差分データについて、周波数に対するゲインと位相の関係を示すグラフである。

また、図４のステップＳ９のＡＧＣコントロールは、例えば、本出願人が既に出願した特許文献２（特開２０１３−２５７２７９号公報）に開示したような、演算方法に基づいて行えばよい。

すなわち、図１２は、低速制御時と、例えば、振動試験制御時の動作例を説明する図である。

先ず、低速制御から始め、低速制御では、設定周波数値の１／１０（十分の一）程度の周波数に相当する変化率で変位を変化させるような移動信号ａを出力する。これに応じて、制御対象１６から得られる実荷重の荷重信号ＲＷが変化する。

この間に、所定のサンプリング周波数で、荷重信号ＲＷと、その時の変位信号ＣＸ（移動信号ａ）のデータをメモリに記憶していく。

そして、荷重信号ＲＷの値が目標荷重振幅に達したら、その時点（時刻Ｔ０）での制御量である変位信号ＣＸ（Ｔ０）の値を、目標荷重振幅に対応する設定用の変位振幅として記憶する。

図１３は、低速制御時の目標荷重振幅での変位−荷重特性の一例を示す図である。

制御対象１６から得られる変位信号ＲＸに対する荷重信号ＲＷの変化を示している。

この低速制御時に、荷重信号ＲＷの値が目標荷重振幅に達した時点で、この変位−荷重特性（メモリに記憶したデータ）から、微分演算を行い、変位Ｘ０における特性の傾き（微分値）ｄＷ／ｄＸ（Ｘ０）を求める。

そして、この傾きからＡＧＣゲインを計算し、そのＡＧＣゲインを設定する。このＡＧＣゲインは１以下で特性の傾きが大きいほど小さな値とする。

以上の低速制御が終了したら、その時点から変位信号ＣＸ（移動信号ａ）に対応する周波数で振動試験制御に移行し、周波数スイープ制御により周波数を次第に上げていく。

この時には、ＡＧＣゲインが特性の傾きに応じて設定されているので、荷重振幅の安定性が損なわれないようになっている。

このように、設定以上の振幅を抑えるために、図３に示したように、高速スイープでも対応できるＡＧＣ制御部２４を併用している。

これにより、比例ゲインを小さくしても、計測周波数全域で過大な振幅を与えず、かつ計測に十分な振幅を得ることが可能で、ＰＩＤパラメータ設定を自動で、迅速にかつ正確に行うことができる。
（実施例３）

図１４は、本発明のＰＩＤ制御装置の別の実施例を説明するブロック図、図１５は、本発明のＰＩＤ制御装置の別の実施例を説明するブロック図である。

この実施例のＰＩＤ制御装置１０は、図１〜図１３に示したＰＩＤ制御装置１０と基本的には同様な構成であり、同一の構成部材には、同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。

制御対象の制御量が、変位、荷重、速度から選択した、少なくとも１つの制御量であって、選択した制御量の数に応じた数の、第１の振幅検出器２０が設けられている。

この実施例のＰＩＤ制御装置１０では、図１４に示したように、制御対象１６の制御量を、変位と、荷重の両方に同時に適用するように構成したものである。

すなわち、選択した制御量（この実施例では、変位と、荷重）の数に応じた数の、第１の振幅検出器２０が設けられている。

この実施例の場合には、変位用の第１の振幅検出器２０ａと、荷重用の第１の振幅検出器２０ｂが設けられている。

また、図１５に示した実施例のＰＩＤ制御装置１０では、変位用の第１の振幅検出器２０ａと、荷重用の第１の振幅検出器２０ｂと、速度用の第１の振幅検出器２０ｃが設けられている。

このように構成することによって、選択した制御量の数に応じた数の、第１の振幅検出器が設けられているので、変位、荷重、速度の制御量を、同時に計測することができ、同時に特性を計算することができる。

従って、制御対象が、変位、荷重、速度の制御に切り替えて使用するシステムでも、同時に１回の計測でこれらのパラメータを決定することができ、マルチ制御モードの判定ができ便利である。

以上、本発明の好ましい実施の態様を説明してきたが、本発明はこれに限定されることはない。上記の実施例では、ＰＩＤ制御装置１０を、試験装置として、例えば、自動車を構成する部品について、さらには、土木関係（橋桁・橋梁・建物用免震ゴムなど）の構造物について、材料試験・振動試験・疲労試験・特性試験などを行うための各種の試験装置に適用することが可能であり、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明は、例えば、金属材料・樹脂材料・複合材料、自動車を構成する部品について行われる、疲労試験・耐久試験・特性試験など各種の試験のための油圧式アクチュエータを備えた試験装置を制御するＰＩＤ制御装置、および、ＰＩＤ制御方法、ならびに、ＰＩＤ制御装置を備えた試験装置に適用することができる。

１０ＰＩＤ制御装置
１１ａ、１１ｂ加算器
１２発振器
１４ＰＩＤ制御部
１６制御対象
１８試験体
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ第１の振幅検出器
２２第２の振幅検出器
２４ＡＧＣ制御部
１００ＰＩＤ制御装置
１０２ＰＩＤ制御部
１０４制御対象
１０６加算器
１０８試験体

Claims

周波数を連続的に変化させる周波数スイープ発振器から構成される発振器と、
前記発振器からの周波数に応じて、制御対象に対して、操作量を演算処理して制御対象を制御するＰＩＤ制御部と、
前記発振器の波形に対する制御対象の制御量の位相と振幅を検出する第１の振幅検出器と、
前記ＰＩＤ制御部の操作量の位相と振幅を検出する第２の振幅検出器とを備え、
前記発振器により周波数を小さい周波数から大きな周波数に連続的に変化させ、
前記ＰＩＤ制御部において、比例制御により、前記発振器からの周波数に応じて、制御対象に対して、操作量を演算処理して制御対象を制御するとともに、
前記第１の振幅検出器によって検出した、前記制御対象の制御量の位相と振幅データから、
前記第２の振幅検出器によって検出した、前記ＰＩＤ制御部の操作量の位相と振幅データを減じることによって、
前記制御対象の特性である位相と振幅データの差分データを得て、
前記差分データに基づいて、限界ゲインと限界周波数を得て、
前記限界ゲインと限界周波数に基づいて、ＰＩＤのパラメータを設定し、
前記設定されたＰＩＤのパラメータに基づいて、ＰＩＤ制御部により制御対象を制御するように構成されていることを特徴とするＰＩＤ制御装置。
前記差分データに基づいて、位相データをモニターし、位相が−１８０度に達した時のゲインを限界ゲインとし、その時の発振器の周波数を限界周波数とするように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のＰＩＤ制御装置。
前記発振器と制御対象との間に、前記制御対象の制御量の計測振幅により、前記発振器の発振波形の振幅を調整し、前記制御対象の制御量の振幅が一定になるように制御するＡＧＣ（Automatic Gain Control）制御部が接続されていることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載のＰＩＤ制御装置。
周波数を連続的に変化させる周波数スイープ発振器から構成される発振器と、
前記発振器からの周波数に応じて、制御対象に対して、操作量を演算処理して制御対象を制御するＰＩＤ制御部と、
前記発振器の波形に対する制御対象の制御量の位相と振幅を検出する第１の振幅検出器と、
前記ＰＩＤ制御部の操作量の位相と振幅を検出する第２の振幅検出器とを備えたＰＩＤ制御装置を用いて、
前記発振器により周波数を小さい周波数から大きな周波数に連続的に変化させ、
前記ＰＩＤ制御部において、比例制御により、前記発振器からの周波数に応じて、制御対象に対して、操作量を演算処理して制御対象を制御するとともに、
前記第１の振幅検出器によって検出した、前記制御対象の制御量の位相と振幅データから、
前記第２の振幅検出器によって検出した、前記ＰＩＤ制御部の操作量の位相と振幅データを減じることによって、
前記制御対象の特性である位相と振幅データの差分データを得て、
前記差分データに基づいて、限界ゲインと限界周波数を得て、
前記限界ゲインと限界周波数に基づいて、ＰＩＤのパラメータを設定し、
前記設定されたＰＩＤのパラメータに基づいて、ＰＩＤ制御部により制御対象を制御することを特徴とするＰＩＤ制御方法。
前記差分データに基づいて、位相データをモニターし、位相が−１８０度に達した時のゲインを限界ゲインとし、その時の発振器の周波数を限界周波数とするように構成されていることを特徴とする請求項４に記載のＰＩＤ制御方法。
前記発振器と制御対象との間に、前記制御対象の制御量の計測振幅により、前記発振器の発振波形の振幅を調整し、前記制御対象の制御量の振幅が一定になるように制御するＡＧＣ（Automatic Gain Control）制御部が接続されていることを特徴とする請求項４から５のいずれかに記載のＰＩＤ制御方法。
請求項１から３のいずれかに記載のＰＩＤ制御装置を備えたことを特徴とする試験装置。
前記制御対象が、試験対象物であることを特徴とする請求項７に記載の試験装置。