JP7070702B2 - 材料試験機、及び材料試験機の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、材料試験機、及び材料試験機の制御方法に関する。

材料の機械的な特性や性質を調べるための材料試験を行う材料試験機として、引張試験機や、硬さ試験機、疲労試験機といった各種の試験機が知られている。
材料試験機は、一般に、試験対象に負荷として試験力を与える負荷機構と、負荷機構を制御する制御装置と、試験片に与えられている試験力を測定する試験力測定器と、試験片に生じた所定の物理量の変化を測定する物理量測定器と、を備え、材料試験中には、制御装置が時々刻々とかわる目標値あるいは目標速度に追従させるため、試験力の測定値あるいは試験片に生じた物理量変換の測定値と、その目標値との偏差に基づいて、負荷機構をフィードバック制御する。また、かかるフィードバック制御においては、各種の要因により、例えば試験力の測定値などの制御目標値が発振する現象、いわゆるハンチングが発生することがある。

ハンチングを検出する手法には、次のようなものが知られている。すなわち、ハンチング検出対象信号の時系列データにおける振幅に基づいて検出する手法（例えば、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３参照）や、ハンチング検出対象信号の時系列データをＦＦＴ解析して検出する手法（例えば、特許文献４、及び特許文献５参照）などである。

特開２０１３－２２１４３０号公報 特開２０００－３２０３８３号公報 特開平１０－１０５２０１号公報 特開２０１３－１４５６９２号公報 特開平０４－２７４７２５号公報

しかしながら、目標値の時系列データが時間軸上で変動する場合、ハンチング検出対象信号からハンチングを精度良く検出することは困難であった。
本発明は、ハンチングを精度良く検出できる材料試験機、及び材料試験機の制御方法を提供することを目的とする。

この明細書には、２０１８年１１月２８日に出願された日本国特許出願・特願２０１８－２２１９１０の全ての内容が含まれる。
第１の発明は、試験対象に負荷を与える負荷機構と、前記試験対象に与えられている負荷を測定する負荷測定器と、前記負荷の測定値と当該負荷の目標値との偏差に基づいて、前記負荷機構をフィードバック制御する制御装置と、を備え、前記負荷によって前記試験対象に生じた物理量の変化を測定する材料試験機において、前記制御装置は、前記測定値、及び前記目標値の時系列データのそれぞれを変換した周波数スペクトル、又は、前記フィードバック制御の指令値、及び前記目標値の時系列データのそれぞれを変換した周波数スペクトルの比較に基づいてハンチングを検出するハンチング検出部を備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記フィードバック制御の制御系のノイズ、及び／又は、前記負荷と前記物理量との測定系のノイズの影響を前記測定値から除いて、当該測定値、及び前記目標値の周波数スペクトルを比較し、又は、前記フィードバック制御の制御系のノイズの影響を前記フィードバック制御の指令値から除いて、当該指令値、及び前記目標値の周波数スペクトルを比較する、ことを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、前記ハンチング検出部は、前記フィードバック制御の制御系のノイズ、及び／又は、前記負荷と前記物理量との測定系のノイズを測定して得られた当該ノイズの周波数スペクトルを前記測定値の周波数スペクトルから除いた状態で、前記測定値、及び前記目標値の周波数スペクトルを比較し、又は、前記フィードバック制御の制御系のノイズを測定して得られた当該ノイズの周波数スペクトルを前記フィードバック制御の指令値の周波数スペクトルから除いた状態で、前記指令値、及び前記目標値の周波数スペクトルを比較することを特徴とする。

第４の発明は、第２の発明において、前記ハンチング検出部は、前記ハンチングの周波数を含み得ない低周波数領域を除いた周波数領域について、前記測定値、及び前記目標値の周波数スペクトル、又は、前記フィードバック制御の指令値、及び前記目標値の周波数スペクトルを比較することを特徴とする。

第５の発明は、第２または第４の発明において、前記ハンチング検出部は、前記フィードバック制御の制御系のノイズが存在する高周波数領域を除いた周波数領域について、前記測定値、及び前記目標値の周波数スペクトル、又は、前記フィードバック制御の指令値、及び前記目標値の周波数スペクトルを比較することを特徴とする。

第６の発明は、第５の発明において、前記フィードバック制御の制御系によって前記フィードバック制御の指令値の指令信号にディザ信号が付加されており、前記ハンチング検出部は、前記測定値の周波数スペクトルを前記目標値の周波数スペクトルと比較するときには、前記測定値の周波数スペクトルから前記ディザ信号が存在する高周波数領域を除いた周波数領域について比較することを特徴とする。

第７の発明は、第５の発明において、前記ハンチング検出部は、ノイズを含まないことが保証されている所定の周波数領域内で、前記測定値、及び前記目標値の周波数スペクトル、又は、前記フィードバック制御の指令値、及び前記目標値の周波数スペクトルを比較することを特徴とする。

第８の発明は、第１から第７のいずれかに記載の発明において、前記ハンチング検出部は、前記測定値の周波数スペクトル、又は前記指令値の周波数スペクトルにおける振幅の累積値が、前記目標値の周波数スペクトルにおける振幅の累積値に対して所定値以上であるか否かに基づいて前記ハンチングの有無を判断することを特徴とする。

第９の発明は、第１から第８のいずれかに記載の発明において、前記測定値、又は前記指令値と、前記目標値とのそれぞれの周波数スペクトルは、前記測定値、又は前記指令値と、前記目標値とのそれぞれの時系列データから切り出された所定時間分のデータを変換して得られており、前記所定時間は、前記フィードバック制御におけるフィードバック制御サイクルの周期に基づいて設定されていることを特徴とする。

第１０の発明は、第１から第９のいずれかに記載の発明において、前記ハンチングが検出された場合に、前記フィードバック制御の制御系の制御パラメータを変更して前記ハンチングを抑えるハンチング対処処理部を備えることを特徴とする。

第１１の発明は、試験対象に負荷を与える負荷機構と、前記試験対象に与えられている負荷を測定する負荷測定器と、前記負荷の測定値と当該負荷の目標値との偏差に基づいて、前記負荷機構をフィードバック制御する制御装置と、を備え、前記負荷によって前記試験対象に生じた物理量の変化を測定する材料試験機の制御方法において、前記制御装置が、前記測定値、及び前記目標値の時系列データのそれぞれを変換した周波数スペクトル、又は、前記フィードバック制御の指令値、及び前記目標値の時系列データのそれぞれを変換した周波数スペクトルの比較に基づいてハンチングを検出することを特徴とする。

第１の発明によれば、第１の発明によれば、負荷の目標値の時間波形が変動する場合でもハンチングを精度よく検出できる。
第２の発明によれば、フィードバック制御の制御系、及び／又は、測定系のノイズの影響を除いて比較するので、ハンチングの検出精度が高められる。
第３の発明によれば、フィードバック制御の制御系、及び／又は、測定系のノイズを測定して得られた当該ノイズの周波数スペクトルを測定値の周波数スペクトルから除くので、実測されたノイズの影響を確実に取り除くことができる。
第４から第７の発明によれば、フィードバック制御の制御系、及び／又は、測定系のノイズを測定せずとも、低周波数領域に含まれるノイズの影響を受けることなく、ハンチングを検出できる。
第８の発明によれば、測定値の周波数スペクトルにおける振幅の累積値と、目標値の周波数スペクトルにおける振幅の累積値との差が所定値以上となるような規模のハンチングが発生していることを検出できる。
第９の発明によれば、目標値の時間軸波形が振動成分を含む場合でも、その振動状況に応じて所定時間をフィードバック制御サイクルの１周期分から複数周期分の間で適宜に設定することで、妥当な検出精度、及び検出速度でハンチングを検出できる。
第１０の発明によれば、検出されたハンチングが抑えられるので、材料試験の精度低下を防止できる。
第１１の発明によれば、第１の発明と同様な効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態に係る材料試験機の構成を模式的に示す図である。 図２は、制御回路ユニットの機能的構成を示すブロック図である。 図３は、ハンチング検出処理のフローチャートである。 図４は、試験力目標値、及び試験力測定値の時間軸波形の一例を示す図である。 図５は、試験力測定値の時系列データに対し３次元曲線近似補正を用いて前処理した後の時系列データを示す図である。 図６は、試験力測定値の周波数スペクトルを示す図である。 図７は、測定値振幅累積値の時間変化を示す図である。 図８は、試験力目標値及び試験力測定値の時間軸波形の他の一例を示す図である。 図９は、試験力測定値と試験力目標値との差分の時間変化を示す図である。 図１０は、一般的なＰＩ制御におけるステップ応答を示す図である。 図１１は、図１０についての極零点配置図である。 図１２は、ハンチング対処処理の動作説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る材料試験機１の構成を模式的に示す図である。
本実施形態の材料試験機１は、引張り試験や、圧縮試験、曲げ試験を実行できる、いわゆる万能試験機である。かかる材料試験機１は、試験対象である試験片ＴＰに負荷を与えて材料試験を行う試験機本体２と、当該試験機本体２による材料試験動作を制御する制御ユニット４と、を備える。試験対象は、各種材料や工業製品、当該工業製品の部品又は部材などであり、試験片ＴＰは、材料試験のために所定の規格に基づいて作成されている。

試験機本体２は、テーブル６と、このテーブル６上に鉛直方向を向く状態で回転可能に立設された一対のねじ棹８、９と、これらのねじ棹８、９に沿って移動可能なクロスヘッド１０と、このクロスヘッド１０を移動させて試験片ＴＰに負荷を与える負荷機構１２と、ロードセル１４と、を備える。ロードセル１４は、試験片ＴＰに与えられる荷重である試験力Ｆを測定し、試験力測定信号Ａ１を出力するセンサである。

一対のねじ棹８、９は、ボールねじから成り、クロスヘッド１０は、各ねじ棹８、９に対して図示を省略したナットを介して連結されている。
負荷機構１２は、各ねじ棹８、９の下端部に連結されるウォーム減速機１６、１７と、各ウォーム減速機１６、１７に連結されるサーボモータ１８と、ロータリエンコーダ２０と、を備える。ロータリエンコーダ２０は、サーボモータ１８の回転を測定し、回転量に応じたパルス数の回転測定信号Ａ２を制御ユニット４に出力するセンサである。
そして負荷機構１２は、ウォーム減速機１６、１７を介して、一対のねじ棹８、９にサーボモータ１８の回転を伝達し、各ねじ棹８、９が同期して回転することにより、クロスヘッド１０がねじ棹８、９に沿って昇降する。

クロスヘッド１０には、試験片ＴＰの上端部を把持するための上つかみ具２１が付設され、テーブル６には、試験片ＴＰの下端部を把持するための下つかみ具２２が付設されている。試験機本体２は、材料試験の際、試験片ＴＰの両端部をこれらの上つかみ具２１および下つかみ具２２により把持した状態で、制御ユニット４の制御の下、クロスヘッド１０を上昇させることにより、試験片ＴＰに試験力Ｆを与える。

制御ユニット４は、制御装置３０と、表示装置３２と、試験プログラム実行装置３４と、を備える。
制御装置３０は、当該試験機本体２を中枢的に制御する装置であり、試験機本体２との間で信号を送受信可能に接続される。試験機本体２から受信する信号は、ロードセル１４が出力する試験力測定信号Ａ１やロータリエンコーダ２０が出力する回転測定信号Ａ２、制御や試験に要する適宜の信号などである。
表示装置３２は、制御装置３０から入力される信号に基づいて各種情報を表示する装置であり、例えば、制御装置３０は、材料試験の間、試験力測定信号Ａ１に基づいて試験片ＴＰに与えられている試験力Ｆの測定値である試験力測定値Ｆｄを表示装置３２に表示する。

試験プログラム実行装置３４は、材料試験の試験条件といった各種設定パラメータの設定操作や実行指示操作などのユーザ操作を受け付け、制御装置３０に出力する機能や、試験力測定値Ｆｄのデータを解析する機能などを備えた装置である。本実施形態の試験プログラム実行装置３４はコンピュータを備え、このコンピュータは、ＣＰＵやＭＰＵなどのプロセッサと、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリデバイスと、ＨＤＤやＳＳＤなどのストレージ装置と、制御装置３０や各種の周辺機器などを接続するためのインターフェース回路と、を備える。そして、プロセッサがメモリデバイス又はストレージ装置に記憶されたコンピュータログラムである材料試験プログラムを実行することで、上述の各種の機能を実現する。

次いで、本実施形態の制御装置３０について、更に詳述する。
制御装置３０は、図１に示すように、信号入出力ユニット４０と、制御回路ユニット５０と、を備える。
信号入出力ユニット４０は、試験機本体２との間で信号を送受する入出力インターフェース回路を構成するものであり、本実施形態では、センサアンプ４２と、カウンタ回路４３と、サーボアンプ４４と、を有する。
センサアンプ４２はロードセル１４が出力する試験力測定信号Ａ１を増幅して制御回路ユニット５０に入力する増幅器である。
カウンタ回路４３は、ロータリエンコーダ２０が出力する回転測定信号Ａ２のパルス数を計数し、サーボモータ１８の回転量、すなわち当該サーボモータ１８の回転によって昇降するクロスヘッド１０の変位量ｘを示す変位測定信号Ａ３を制御回路ユニット５０にデジタル信号で出力する。材料試験の実行中においては、変位量ｘによって試験片ＴＰに生じた変位が示される。なお、試験力Ｆの印加によって試験片ＴＰに生じた変位を測定する変位センサなどの物理量測定器を試験機本体２に設けてもよい。
サーボアンプ４４は、制御回路ユニット５０の制御の下、サーボモータ１８を制御する装置である。

図２は、制御回路ユニット５０の機能的構成を示すブロック図である。
制御回路ユニット５０は、通信部５２と、試験制御部５４と、を備える。
制御回路ユニット５０は、ＣＰＵやＭＰＵなどのプロセッサと、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリデバイスと、ＨＤＤやＳＳＤなどのストレージ装置と、信号入出力ユニット４０とのインターフェース回路と、試験プログラム実行装置３４と通信する通信装置と、表示装置３２を制御する表示制御回路と、各種の電子回路と、を備えたコンピュータを備え、プロセッサがメモリデバイス又はストレージ装置に記憶されたコンピュータログラムを実行することで、図２に示す各機能部を実現する。また信号入出力ユニット４０のインターフェース回路にはＡ／Ｄ変換器が設けられており、アナログ信号の試験力測定信号Ａ１がＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換される。
なお、制御回路ユニット５０は、コンピュータに限らず、ＩＣチップやＬＳＩなどの集積回路といった１又は複数の適宜の回路によって構成されてもよい。

通信部５２は、試験プログラム実行装置３４との間で通信し、試験条件の設定や各種設定パラメータの設定値、材料試験の実行指示や中断指示などを試験プログラム実行装置３４から受信する。また通信部５２は、試験力測定信号Ａ１に基づく試験力測定値Ｆｄを適宜のタイミングで試験プログラム実行装置３４に送信する。

試験制御部５４は、試験機本体２のサーボモータ１８をフィードバック制御して材料試験を実行するものであり、フィードバック制御回路６０と、制御クロック回路６２と、目標データ記憶部６４と、ハンチング検出部６６と、ハンチング対処処理部６８と、を備える。
フィードバック制御回路６０は、サーボモータ１８のフィードバック制御を実行する回路である。すなわち、フィードバック制御回路６０は、試験力測定値Ｆｄと、試験力Ｆの目標値である試験力目標値Ｆｔとの偏差に基づいて、この試験力測定値Ｆｄを試験力目標値Ｆｔに一致させる変位量ｘの指令値ｄｘを演算し、当該指令値ｄｘを示す指令信号Ｂ１（図１）をサーボアンプ４４に出力する。本実施形態では、フィードバック制御にはＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御が用いられており、フィードバック制御回路６０は、いわゆるＰＩＤ制御器を備える。指令値ｄｘの算出には、材料の弾性（変位量ｘと試験力Ｆとの関係）に基づいて定められた適宜の制御則が用いられる。
また、フィードバック制御回路６０は、信号ノイズ対策として、高周波数のディザ信号（高周波小振幅信号）を指令信号Ｂ１に付加するディザ信号付加機能を備え、かかる指令信号Ｂ１がサーボアンプ４４に出力される。

制御クロック回路６２は、フィードバック制御における制御サイクルを規定するタイミング信号を出力するクロック回路であり、フィードバック制御回路６０は、当該制御クロック回路６２のタイミング信号に同期して、フィードバック制御を実行する。このタイミング信号は、あくまでも制御サイクルを規定するものであり、少なくともハンチング検出部６６、及びハンチング対処処理部６８は、このタイミング信号よりも高速なクロック信号に同期して制御サイクルよりも高速に動作する。

目標データ記憶部６４は、目標データを予め記憶するメモリデバイスを備える。目標データは、材料試験における試験力目標値Ｆｔの時間的変動（試験力目標値Ｆｔと時間との関係）を示す時系列データであり、フィードバック制御における制御波形に対応する。この目標データは、試験プログラム実行装置３４に対するユーザ設定操作に応じて制御回路ユニット５０によって変更記憶される。これにより、材料試験に際し、ユーザ設定に応じた時間的変動で試験力Ｆが試験片ＴＰに与えられるようになる。

ハンチング検出部６６は、材料試験の間、ハンチングを検出し、ハンチングを検出した場合に、その旨をハンチング対処処理部６８に出力する。本実施形態のハンチング検出部６６は、試験力目標値Ｆｔ及び試験力測定値Ｆｄの各々の周波数スペクトルの比較に基づいてハンチングを検出する。
ハンチング対処処理部６８は、ハンチングがハンチング検出部６６によって検出された場合に、ハンチングを抑制するためのハンチング対処処理を実行する。ハンチングが抑制されることで、材料試験の精度低下を防止し、高品質な試験を実現できる。

以下、本実施形態の動作として、ハンチング発生検出に係る動作を説明する。

図３は、ハンチング検出処理のフローチャートである。
ハンチング検出処理は、材料試験の間（少なくとも試験力Ｆのフィードバック制御が行われている間）、ハンチングの発生を速やかに検出するために、ハンチング検出部６６によって継続的に繰り返し行われる。また材料試験が開始されると、試験力Ｆ目標値Ｆｔの時系列データ（すなわちフィードバック制御における制御波形）、及び、試験力測定値Ｆｄの時系列データ（すなわちフィードバック制御における応答波形）が、例えば、ハンチング検出部６６が備えるＲＡＭなどのメモリデバイスに逐次にバッファリングされる。

図３に示すように、ハンチング検出部６６は、先ず、試験力目標値Ｆｔ、及び試験力測定値Ｆｄの両方の所定短時間Ｔの分の時系列データをバッファリングされているデータから切り出す（ステップＳａ１）。本実施形態では、この所定短時間Ｔは、制御クロック回路６２の制御クロックの１に設定されているが、これについては後述する。

次いで、ハンチング検出部６６は、試験力目標値Ｆｔ、及び試験力測定値Ｆｄのそれぞれの時系列データを前処理した後、離散フーリエ変換し、所定短時間Ｔの時系列データの周波数スペクトルを求める（ステップＳａ２）。そして、ハンチング検出部６６は、試験力目標値Ｆｔ、及び試験力測定値Ｆｄのそれぞれの周波数スペクトルを比較し、この比較結果に基づいて、ハンチングの有無を判断する（ステップＳａ３）。そして、ハンチングが発生している場合には（ステップＳａ３：ハンチングあり）、ハンチング検出部６６は、その旨を、ハンチング対処処理部６８に出力する（ステップＳａ４）。

ステップＳａ２における前処理は、時系列データに同じ時系列データを次々に繋げて周期拡張した際に、各繋ぎ目での不連続性が抑制された波形となるように、所定短時間Ｔ分の時系列データを調整する処理である。この前処理には、窓関数処理、或いは、３次元曲線近似補正処理が用いられる。

窓関数処理は、離散フーリエ変換対象の所定短時間Ｔ分の時系列データに窓関数を乗じることで当該時系列データを調整する処理であり、この窓関数には、ハミング窓やハン窓（ハニング窓）、ブラックマン窓などの適宜の窓関数を用いることができる。

３次元曲線近似補正は、日本国特許出願：特願２０１７－２４３７５４に開示された処理であり、窓関数に代えて基準関数を用いて、離散フーリエ変換対象の所定短時間Ｔ分の時系列データを調整する。
基準関数は、所定短時間Ｔ分の時系列データの開始点を接点とする接線の傾きが当該時系列データの開始位置付近の近似直線の傾きと一致し、当該時系列データの終了点を接点とする接線の傾きが終了位置付近の近似直線の傾きとに一致する関数である。
そして、所定短時間Ｔ分の時系列データから基準関数を減算することにより、時系列データの波形の両端が滑らかにゼロに収束するデータに、当該時系列データが調整される。

基準関数には、次数３以上の多項式関数が好適に用いられ、例えば、次式（２）の係数ａ、ｂ、ｃ、ｄを持つ次式（１）の３次曲線（ｙ）を用いることができる。
なお、式（１）、式（２）において、所定短時間Ｔ分の時系列データの時間軸の開始位置をｔ１、値をｙ１、開始点（ｔ１，ｙ１）で接する接線である開始位置付近での近似直線の傾きをｋ１とし、所定短時間Ｔ分の時系列データの時間軸の終了位置をｔｅｎｄ、値をｙｅｎｄ、終了点（ｔｅｎｄ，ｙｅｎｄ）で接する接線である終了位置付近での近似直線の傾きをｋｅｎｄとしている。

またハンチング検出処理のステップＳａ３において、ハンチング検出部６６は、試験力目標値Ｆｔ、及び試験力測定値Ｆｄのそれぞれの周波数スペクトルを次のように比較してハンチング発生を判断する。すなわち、ハンチング検出部６６は、試験力測定値Ｆｄの周波数スペクトルにおける振幅の振幅累積値（以下、「測定値振幅累積値」といい、符号Ｄｄを付す）が、試験力目標値Ｆｔの周波数スペクトルにおける振幅の振幅累積値（以下、「目標値振幅累積値」といい、符号Ｄｔを付す）に対して所定値Ｇｔｈ以上である場合に、ハンチングが発生していると判断する。
またステップＳａ３においては、ハンチング検出部６６は、フィードバック制御系に生じるノイズ成分と、試験力Ｆ及び変位量ｘを測定する測定系（例えばロードセル４２を含む測定系）に生じるノイズ成分と、のそれぞれを試験力測定値Ｆｄの周波数スペクトルから除いた後、測定値振幅累積値Ｄｄと目標値振幅累積値Ｄｔとを比較している。

かかるハンチング検出処理について、試験力測定値Ｆｄ、及び試験力目標値Ｆｔの波形の具体例を参照しながら更に説明する。

［試験力目標値Ｆｔが時間軸上で単調に変化する場合（非振動の場合）］
図４は、試験力目標値Ｆｔ、及び試験力測定値Ｆｄの時間軸波形の一例を示す図である。
例えば材料試験の一態様である引張試験では、図示のように、時間軸上で試験力目標値Ｆｔが試験開始時（ｔ＝０）から所定の傾きで単調に増加するようにフィードバック制御される（すなわち、時間軸上で試験力目標値Ｆｔは振動成分を含まない。）
そして図示例のように、試験力測定値Ｆｄは試験力目標値Ｆｔに合わせて増加する一方で、試験開始から約２秒後にハンチングが発生し始めると、当該ハンチングがハンチング検出処理により検出される。

ハンチング検出処理では、上述の通り、試験力目標値Ｆｔ、及び試験力測定値Ｆｄの各々の時系列データの所定短時間Ｔ分の抜き出し（ステップＳａ１）、それぞれの時系列データに対する前処理、及び離散フーリエ変換（ステップＳａ２）、及び、試験力目標値Ｆｔ、及び試験力測定値Ｆｄのそれぞれの周波数スペクトルの比較に基づくハンチング発生の有無の判定（ステップＳａ３）の一連の処理が行われる。

本例では、図４に示すように、試験開始の直後ｔａから１秒が経過するタイミングＣｋのそれぞれで、かかるハンチング検出処理が実行され、各ハンチング検出処理のステップＳａ１において、所定短時間Ｔとして２秒分の時系列データが切り出されている。そして続くステップＳａ２では、試験力測定値Ｆｄ、及び試験力目標値Ｆｔの時系列データに対して上述の前処理が行われる。

図５は、ハンチングが発生し始めた時刻ｔｂ（＝約２秒）の点で切り出された試験力測定値Ｆｄの時系列データに対し、３次元曲線近似補正を用いて前処理した後の時系列データを示す図である。
この図に示すように、前処理が行われることで、時系列データは、波形の開始点ｔ１と終了点ｔｅｎｄとで、振幅値（測定値Ｆｄ）が滑らかにゼロに収束するデータに調整される。
かかる前処理の後、ステップＳａ２では、試験力測定値Ｆｄ、及び試験力目標値Ｆｔの時系列データのそれぞれの離散フーリエ変換により、試験力測定値Ｆｄ、及び試験力目標値Ｆｔのそれぞれの周波数スペクトルが求められる。

図６は、試験力測定値Ｆｄの周波数スペクトルを示す図である。
本例の場合、試験力目標値Ｆｔの時間軸波形（時系列データ）には振動成分が含まれないため、どの所定短時間Ｔで抜き出されたとしても、その周波数スペクトルに相対的に過度に強いピークが含まれることはない。したがって、ハンチングが発生していなければ、試験力測定値Ｆｄの周波数スペクトルにも相対的に過度に強いピークは含まれることはない。換言すれば、図６に示すように、試験力測定値Ｆｄの周波数スペクトルに相対的に過度に強いピークＰａ、Ｐｂが生じている場合には、それらのピークＰａ、Ｐｂはハンチングによって生じたものと言える。

したがって、本例の場合、試験力目標値Ｆｔの周波数スペクトルに含まれることがない過度に強いピークが、試験力測定値Ｆｄの周波数スペクトルに含まれているか否かに基づいて、ハンチングの有無を判断できる。試験力Ｆ測定値Ｆｄの周波数スペクトルに過度に強いピークが含まれているか否かは、測定値振幅累積値Ｄｄが所定値Ｇｔｈ以上か否かに基づいて判断できる。この所定値Ｇｔｈは、例えば目標値振幅累積値Ｄｔにマージンを加えた値に基づいて設定される。

以上のことから、ステップＳａ３では、測定値振幅累積値Ｄｄが所定値Ｇｔｈ以上であるか否かが判断され、所定値Ｇｔｈ以上の場合には（ステップＳａ３：ハンチングあり）、ハンチング発生の旨が出力されることとなる。なお、この判断において、所定値Ｇｔｈは目標値振幅累積値Ｄｔに基づいて設定されているので、実質的には、測定値振幅累積値Ｄｄが目標値振幅累積値Ｄｔと比較されたことになる。

図７は、測定値振幅累積値Ｄｄの時間変化を示す図である。
本例では、試験開始の直後から１秒が経過するタイミングＣｋごとにハンチング検出処理が実行され、それぞれのハンチング検出処理において、直近の所定短時間Ｔ（本例では２秒）に亘る試験力測定値Ｆｄについて測定値振幅累積値Ｄｄが算出される。
本例では、試験開始から約２秒が経過した時点からハンチングが発生し始めているので、図７に示すように、その直後のハンチング検出処理のタイミングＣｋである約３秒の時点で、測定値振幅累積値Ｄｄが所定値Ｇｔｈを越える。これにより、測定値振幅累積値Ｄｄが所定値Ｇｔｈを越えるような規模のハンチングの発生が正確、かつ速やかに検出される。

［試験力目標値Ｆｔが時間軸上で変動する場合（振動する場合）］
図８は、試験力目標値Ｆｔ、及び試験力測定値Ｆｄの時間軸波形の他の一例を示す図である。
例えば材料試験の一態様である疲労試験では、時間軸において試験力目標値Ｆｔが時々刻々と変化する。
本例では、時間軸において試験力目標値Ｆｔが試験開始時（ｔ＝０）から複数の周波数成分で振動し、これに伴い試験力測定値Ｆｄも時間軸においても複雑に振動している。同図から明らかなように、時間軸における試験力測定値Ｆｄの振幅（変動）からハンチングを見分けることは困難である。また試験力目標値Ｆｔが振動する場合、この振動の周波数成分が試験力測定値Ｆｄの周波数スペクトルに出現するため、試験力測定値Ｆｄの周波数スペクトルだけではハンチングを精度良く判断することは困難である。

これに対して、本実施形態のハンチング検出処理では、試験力測定値Ｆｄだけでハンチング発生を判断するのではなく、試験力測定値Ｆｄ及び試験力目標値Ｆｔのそれぞれの周波数スペクトルの比較に基づいてハンチング発生を判断するので（ステップＳａ３）、精度よくハンチングを検出できる。具体的には、ステップＳａ３において、試験力測定値Ｆｄ及び試験力目標値Ｆｔのそれぞれの周波数スペクトルに基づいて、測定値振幅累積値Ｄｄと目標値振幅累積値Ｄｔとが算出され、測定値振幅累積値Ｄｄから目標値振幅累積値Ｄｔを引いた差分Ｅが所定値Ｇｔｈ以上の場合に、ハンチングが発生していると判断される。

図９は、試験力測定値Ｆｄと試験力目標値Ｆｔとの差分Ｅの時間変化を示す図である。
本例では、試験開始の直後から０．５秒が経過するタイミングＣｋごとにハンチング検出処理が実行され、それぞれのハンチング検出処理において、直近の所定短時間Ｔ（本例では１秒）に亘る試験力測定値Ｆｄ、及び試験力目標値Ｆｔに基づいて、測定値振幅累積値Ｄｄと目標値振幅累積値Ｄｔとの差分Ｅが算出されている。
本例では、図９に示されるように、差分Ｅの値が試験開始から３秒後の時点で所定値Ｇｔｈを越えて大きく増加し、これにより、この時点で、差分Ｅが所定値Ｇｔｈを越えるような規模のハンチングの発生が精度良く、速やかに検出される。

ここで、試験力目標値Ｆｔが時間軸上で複雑に振動する波形の場合、その試験力目標値Ｆｔの時系列データの切り出し時間である所定短時間Ｔが長くなるほど、切り出し後の時系列データには多くの周波数成分が含まれることから、目標値振幅累積値Ｄｔも増大する傾向にある。この結果、ハンチングが発生していたとしても測定値振幅累積値Ｄｄと目標値振幅累積値Ｄｔとの差分Ｅが増大し難くなり、ハンチングの検出精度が低下し、またハンチングの検出タイミングが遅れることになる。
このような理由から、所定短時間Ｔは短いほど好ましい。そこで、本実施形態では、上述の通り、制御クロック回路６２のクロック信号の１周期分に所定短時間Ｔを設定することで、所定短時間Ｔをフィードバック制御サイクルの最小周期とし、ハンチングの検出精度、及び検出速度を向上させている。
なお、所定短時間Ｔを、妥当な検出精度、及び検出速度が得られる範囲で、より長い時間（例えば、フィードバック制御サイクルの複数周期分など）に設定しても良いことは勿論である。

ところで、フィードバック制御系と、試験力Ｆ及び変位量ｘを測定する測定系とには、センサやデジタル信号処理に起因する各種のノイズが含まれている。そこで、本実施形態では、ステップＳａ３において、ハンチング検出部６６が試験力測定値Ｆｄの周波数スペクトルを試験力目標値Ｆｔの周波数スペクトルと比較する際には、試験力測定値Ｆｄの周波数スペクトルから、これらフィードバック制御系、及び測定系のそれぞれのノイズを除いた状態で比較することで、ハンチングの検出精度を向上させている。

具体的には、本実施形態では、フィードバック制御系、及び測定系のそれぞれに内在するノイズを予め計測した計測ノイズの周波数スペクトルのデータを試験制御部５４が例えばメモリデバイスなどに記憶している。そして、ハンチング検出部６６は、試験力測定値Ｆｄについて測定値振幅累積値Ｄｄを算出する場合、試験力測定値Ｆｄの周波数スペクトルからノイズの周波数スペクトルを除いて測定値振幅累積値Ｄｄを算出する。

さて、ハンチング検出処理においてハンチングが検出されると、ハンチング対処処理部６８がハンチング対処処理を実行する。
具体的には、ハンチング対処処理において、ハンチング対処処理部６８は、フィードバック制御回路６０のＰＩＤ制御における制御ゲイン（例えば比例ゲインや積分ゲイン、微分ゲインなど）を適宜に変更して（本実施形態では下げて）ハンチングを抑える。

図１０は一般的なＰＩ制御におけるステップ応答を示し、図１１は図１０についての極零点配置図である。
図１０に示すように、制御ゲインとして積分ゲインだけを半分の値まで下げた場合、図１１に示すように、極配置では虚数解が現れて制御系が振動的になり、或いは、極がプラス領域に配置されて制御系が発散し、制御システムが不安定になることがある。これに対し、積分ゲインを半減させる場合には、極配置において虚数値がゼロとなる比例ゲインの値を求め、その値に比例ゲインも変更することで、制御システムが不安定になることを回避できる。

そこで、ハンチング対処処理部６８は、制御ゲインを変更する場合、必要に応じて、フィードバック制御系が不安定にならないように、他の調整可能な制御ゲインも、例えば上述の極配置に基づいて適宜に変更する。

ただし、制御ゲインを急激に変更すると、指令値ｄｘ（指令信号Ｂ１）に極端な不連続が生じることがある。そこで、図１２に示すように、測定値振幅累積値Ｄｄと目標値振幅累積値Ｄｔとの差分Ｅが所定値Ｇｔｈを越えることでハンチングが検出された場合、ハンチング対処処理部６８は、制御ゲインＪの変更値として、制御システムの安定性を維持しつつ、ハンチングが抑えられる値を算出する。そして、制御ゲインＪを、この変更値を下限として、差分Ｅが所定値Ｇｔｈを下回るまで（ハンチングが検出されなくなるまで）、徐々に（すなわち滑らかに）値を変化させる。

なお、本実施形態では、微分器にローパスフィルタ回路が組み込まれることでフィードバック制御回路６０（ＰＩＤ制御器）がフィルタ回路を含んでいる。そこで、ハンチング対処処理部６８は、上述の制御ゲインに加え、ローパスフィルタ回路のフィルタ強度を適宜に変更して（本実施形態では強くして）ハンチング現象を抑え、又は解消してもよい。
また制御ゲイン、及びフィルタ強度に限らず、変更可能な制御パラメータであって、変更によりハンチング現象を抑え、又は解消できる制御パラメータであれば、ハンチング対処処理部６８は、それらの制御パラメータをハンチング対処処理において変更してもよいことは勿論である。

また制御ゲインＪなどの制御パラメータを所定値まで変更し終えてもハンチングが検出され続ける場合、或いは、差分Ｅが所定値Ｇｔｈを過度に越えて大きくなった場合（すなわち、振幅が非常に大きなハンチングが発生している場合）には、ハンチング対処処理部６８は、材料試験を強制的に中断し、及び／又は、ユーザに警告を出力してもよい。

本実施形態によれば、次の効果を奏する。

本実施形態の材料試験機１は、フィードバック制御の応答波形に対応する試験力測定値Ｆｄの時系列データと、制御波形に対応する試験力目標値Ｆｔの時系列データとのそれぞれを変換した周波数スペクトルの比較に基づいてハンチングを検出するようにした。
これにより、試験力目標値Ｆｔの時間軸波形が変動する場合でもハンチングを精度よく検出できる。

本実施形態の材料試験機１は、フィードバック制御の制御系のノイズの影響を除いて試験力測定値Ｆｄ、及び試験力目標値Ｆｔの周波数スペクトルを比較するので、ハンチングの検出精度を高めることができる。

本実施形態の材料試験機１は、試験力測定値Ｆｄの周波数スペクトルからフィードバック制御の制御系のノイズを測定して得られた周波数スペクトルを除いた状態で、試験力測定値Ｆｄ、及び試験力目標値Ｆｔの周波数スペクトルを比較するので、制御系のノイズの影響を確実に取り除くことができる。

本実施形態の材料試験機１は、試験力測定値Ｆｄの周波数スペクトルにおける測定値振幅累積値Ｄｄが、試験力目標値Ｆｔの周波数スペクトルにおける目標値振幅累積値Ｄｔに対して所定値Ｇｔｈ以上であるか否かに基づいてハンチング発生の有無を判断する。
これにより、測定値振幅累積値Ｄｄと目標値振幅累積値Ｄｔとの差分Ｅが所定値Ｇｔｈ以上となるような規模のハンチングが発生していることを検出できる。

本実施形態の材料試験機１において、試験力測定値Ｆｄ、及び試験力目標値Ｆｔの周波数スペクトルは、試験力測定値Ｆｄ、及び試験力目標値Ｆｔのそれぞれの時系列データから切り出された所定短時間Ｔ分のデータを変換して得られている。そして、当該所定短時間Ｔは、フィードバック制御におけるフィードバック制御サイクルの周期に基づいて設定されている。
これにより、試験力目標値Ｆｔの時間軸波形が振動成分を含む場合でも、その振動状況に応じて所定短時間Ｔをフィードバック制御サイクルの１周期分から複数周期分の間で適宜に設定することで、妥当な検出精度、及び検出速度でハンチングを検出できる。

本実施形態の材料試験機１は、ハンチングが検出された場合に、フィードバック制御の制御系の制御パラメータを変更してハンチングを抑えるので、材料試験の精度低下を防止できる。

なお、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を例示するものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形、および応用が可能である。

上述した実施形態において、ハンチング検出部６６は、フィードバック制御の制御系のノイズの周波数スペクトルを試験力測定値Ｆｄの周波数スペクトルから除くことで、当該ノイズの影響を除いたが、これに限らない。
詳述すると、ハンチングが含み得る周波数は低周波数領域よりも高いため、ハンチングの周波数が入らない低周波数領域（例えば１Ｈｚ以下）をハンチング検出に用いる必要はない。したがって、この低周波数領域を除いた周波数数領域について試験力測定値Ｆｄ、及び試験力目標値Ｆｔの周波数スペクトルを比較してもハンチングを検出することができる。
これにより、フィードバック制御の制御系のノイズを測定せずとも、低周波数領域に含まれるノイズの影響を受けることなく、ハンチングを検出できる。

また試験力目標値Ｆｔの波形が時間軸上で振動成分を含まない場合、高周波数領域を除いた周波数領域の比較だけでも十分にハンチングを検出できる。したがって、この場合には、制御系、及び測定系の高周波ノイズが存在する高周波数領域、及び、指令信号Ｂ１に重畳されるディザ信号の周波数領域を除いた周波数領域について試験力測定値Ｆｄ、及び試験力目標値Ｆｔの周波数スペクトルを比較してハンチングを検出してもよい。
これにより、制御系、及び測定系の高周波ノイズ、及びディザ信号の影響を受けることなくハンチングを検出できる。

上述した実施形態において、材料試験機１の制御系、及び測定系のノイズを含まないことが保証されている所定の周波数領域が既知の場合、ハンチング検出部６６は、この所定の周波数領域の範囲に限って、試験力測定値Ｆｄ、及び試験力目標値Ｆｔの周波数スペクトルを比較してもよい。
これにより、ノイズの影響を受けることなく簡単にハンチングを検出できる。

上述した実施形態において、ハンチング検出部６６は、試験力測定値Ｆｄの所定短時間Ｔ分の時系列データと、試験力目標値Ｆｔの所定短時間Ｔ分の時系列データの両方を、その都度、周波数スペクトルに変換した。しかしながら、ハンチング検出部６６は、試験力目標値Ｆｔの周波数スペクトルについては、あらかじめ計算されたものを用いてもよい。

上述した実施形態において、ハンチング検出部６６は、試験力測定値Ｆｄと試験力目標値Ｆｔとのそれぞれのパワースペクトルを比較してハンチングの有無を判断してもよい。

上述した実施形態、及び各変形例において、ハンチング検出部６６は、試験力測定値Ｆｄと試験力目標値Ｆｔとのそれぞれの周波数スペクトルを比較したが、これに限らず、フィードバック制御の制御信号である指令信号Ｂ１と試験力目標値Ｆｔとの周波数スペクトルを比較してハンチングを検出してもよい。この場合において、指令信号Ｂ１にディザ信号が重畳されている場合、ハンチング検出部６６は、当該ディザ信号を指令信号Ｂ１から除去せずに、指令信号Ｂ１と試験力目標値Ｆｔとの周波数スペクトルを比較する。

上述した実施形態において、材料試験機１が備える負荷機構１２の駆動源は、サーボモータ１８に限らず、例えば油圧源などの他の動力源でもよい。

上述した実施形態において、図２に示す機能ブロックは、本願発明を理解容易にするために構成要素を主な処理内容に応じて分類して示した概略図であり、処理内容に応じて、さらに多くの構成要素に分類することもできる。また、１つの構成要素がさらに多くの処理を実行するように分類することもできる。

本発明が適用される材料試験機１は、万能試験機に限らず、目標値が単調に変化する引張試験機、及び、目標値が時々刻々と変化する疲労試験機（油圧疲労試験機や電磁式疲労試験機など）や耐久試験機などに好適に適用できる。
また本発明は、試験対象に負荷を与える負荷機構と、前記試験対象に与えられている負荷を測定する負荷測定器と、前記負荷の測定値と当該負荷の目標値との偏差に基づいて、前記負荷機構をフィードバック制御する制御装置と、を備え、前記負荷によって前記試験対象に生じた物理量の変化を物理量測定器で測定する材料試験機であれば、任意の材料試験機に適用できる。

１ 材料試験機
２ 試験機本体
４ 制御ユニット
１２ 負荷機構
１４ ロードセル(負荷測定器)
３０ 制御装置
５０ 制御回路ユニット
５４ 試験制御部
６０ フィードバック制御回路
６２ 制御クロック回路
６４ 目標データ記憶部
６６ ハンチング検出部
６８ ハンチング対処処理部
Ｄｄ 測定値振幅累積値
Ｄｔ 目標値振幅累積値
Ｅ 測定値振幅累積値と目標値振幅累積値の差分
Ｆ 試験力（負荷）
Ｆｄ 試験力測定値
Ｆｔ 試験力目標値
Ｇｔｈ 所定値
Ｔ 所定短時間（所定時間）
ＴＰ 試験片（試験対象）
ｘ 変位量（物理量）

Claims (11)

1. 試験対象に負荷を与える負荷機構と、
   前記試験対象に与えられている負荷を測定する負荷測定器と、
   前記負荷の測定値と当該負荷の目標値との偏差に基づいて、前記負荷機構をフィードバック制御する制御装置と、を備え、
   前記負荷によって前記試験対象に生じた物理量の変化を測定する材料試験機において、
   前記制御装置は、
   前記測定値、及び前記目標値の時系列データのそれぞれを変換した周波数スペクトル、又は、前記フィードバック制御の指令値、及び前記目標値の時系列データのそれぞれを変換した周波数スペクトルの比較に基づいてハンチングを検出するハンチング検出部を備える
   ことを特徴とする材料試験機。
2. 前記ハンチング検出部は、
   前記フィードバック制御の制御系のノイズ、及び／又は、前記負荷と前記物理量との測定系のノイズの影響を前記測定値から除いて、当該測定値、及び前記目標値の周波数スペクトルを比較し、又は、
   前記フィードバック制御の制御系のノイズの影響を前記フィードバック制御の指令値から除いて、当該指令値、及び前記目標値の周波数スペクトルを比較する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。
3. 前記ハンチング検出部は、
   前記フィードバック制御の制御系のノイズ、及び／又は、前記負荷と前記物理量との測定系のノイズを測定して得られた当該ノイズの周波数スペクトルを前記測定値の周波数スペクトルから除いた状態で、前記測定値、及び前記目標値の周波数スペクトルを比較し、又は、
   前記フィードバック制御の制御系のノイズを測定して得られた当該ノイズの周波数スペクトルを前記フィードバック制御の指令値の周波数スペクトルから除いた状態で、前記指令値、及び前記目標値の周波数スペクトルを比較する
   ことを特徴とする請求項２に記載の材料試験機。
4. 前記ハンチング検出部は、
   前記ハンチングの周波数を含み得ない低周波数領域を除いた周波数領域について、前記測定値、及び前記目標値の周波数スペクトル、又は、前記フィードバック制御の指令値、及び前記目標値の周波数スペクトルを比較する
   ことを特徴とする請求項２に記載の材料試験機。
5. 前記ハンチング検出部は、
   前記フィードバック制御の制御系のノイズが存在する高周波数領域を除いた周波数領域について、前記測定値、及び前記目標値の周波数スペクトル、又は、前記フィードバック制御の指令値、及び前記目標値の周波数スペクトルを比較する
   ことを特徴とする請求項２または４に記載の材料試験機。
6. 前記フィードバック制御の制御系によって前記フィードバック制御の指令値の指令信号にディザ信号が付加されており、
   前記ハンチング検出部は、
   前記測定値の周波数スペクトルを前記目標値の周波数スペクトルと比較するときには、前記測定値の周波数スペクトルから前記ディザ信号が存在する高周波数領域を除いた周波数領域について比較する
   ことを特徴とする請求項５に記載の材料試験機。
7. 前記ハンチング検出部は、
   ノイズを含まないことが保証されている所定の周波数領域内で、前記測定値、及び前記目標値の周波数スペクトル、又は、前記フィードバック制御の指令値、及び前記目標値の周波数スペクトルを比較する
   ことを特徴とする請求項５に記載の材料試験機。
8. 前記ハンチング検出部は、
   前記測定値の周波数スペクトル、又は前記指令値の周波数スペクトルにおける振幅の累積値が、前記目標値の周波数スペクトルにおける振幅の累積値に対して所定値以上であるか否かに基づいて前記ハンチングの有無を判断する
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の材料試験機。
9. 前記測定値、又は前記指令値と、前記目標値とのそれぞれの周波数スペクトルは、
   前記測定値、又は前記指令値と、前記目標値とのそれぞれの時系列データから切り出された所定時間分のデータを変換して得られており、
   前記所定時間は、
   前記フィードバック制御におけるフィードバック制御サイクルの周期に基づいて設定されている
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の材料試験機。
10. 前記ハンチングが検出された場合に、前記フィードバック制御の制御系の制御パラメータを変更して前記ハンチングを抑えるハンチング対処処理部を備える
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の材料試験機。
11. 試験対象に負荷を与える負荷機構と、
    前記試験対象に与えられている負荷を測定する負荷測定器と、
    前記負荷の測定値と当該負荷の目標値との偏差に基づいて、前記負荷機構をフィードバック制御する制御装置と、を備え、
    前記負荷によって前記試験対象に生じた物理量の変化を測定する材料試験機の制御方法において、
    前記制御装置が、前記測定値、及び前記目標値の時系列データのそれぞれを変換した周波数スペクトル、又は、前記フィードバック制御の指令値、及び前記目標値の時系列データのそれぞれを変換した周波数スペクトルの比較に基づいてハンチングを検出する
    ことを特徴とする材料試験機の制御方法。

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