JP7555317B2 - 試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、試験対象を加振して評価する試験装置及び試験装置のパラメータ調整方法に関する。

構造物の耐震性能を評価するために、構造物の特性を模擬したモデル（以下、供試体と称する）を加振して評価する試験装置が知られている。これらの試験装置には、地震波形など、変位や加速度の応答が早い試験パターンを再現する必要があるため，応答性や駆動力に優れる油圧アクチュエータが利用されることが多い。

このような振動試験装置は、ユーザが定めた所定の試験パターン（加速度指令や変位指令）に従って、油圧アクチュエータを駆動することによって、供試体の評価試験を実施する。
振動試験装置には油圧アクチュエータの位置，速度，加速度を取得するセンサが取り付けられているため，これらの信号を利用してフィードバック制御を実施することで，所望の試験波形を再現する。

しかしながら、上記の構成では、油圧アクチュエータの変位或いは油圧アクチュエータの速度を試験パターンに追従させることができるものの、必ずしも、供試体の変位，速度，及び加速度を試験パターンに追従させることができるとは限らない。このため、供試体の特定箇所に生じる変位，速度，及び加速度のパターンを再現したいというユーザ（若しくは、オペレータ）の要求に応えることが容易ではない。

さらに、油圧アクチュエータを利用する関係上、油圧の特性の変化や駆動部の摩擦などの変動要素を有するために、適切な制御設計がなされていないと、油圧アクチュータの変位或いは油圧アクチュータの速度も所望のパターンで駆動することは困難である。

このような課題に対して、特許文献１では、供試体（被試験体）に変位センサ及び加速度センサを取り付け、その信号をサーボ制御装置に取り込み、このセンサ情報を利用して試験条件（加振パターン）を変更することで、供試体の変位や加速度を制御する振動試験装置が提示されている。

特開２０１２－２３７６３４号公報

特許文献１に開示される試験装置は、供試体の特定箇所の変位や加速度が取得できる構成になっているため、これらの信号を利用して適切な制御を実行すれば、試験装置のユーザ又はオペレータが望む試験パターンを再現し得る構成になっている。
具体的には、特許文献１では、供試体の振動特性を取得するための試験を行い、この試験において指令した変位量（若しくは加速度量）に対して、実際に供試体に取り付けられたセンサから取得した変位量を記憶する。この特性把握用の加振で得られた波形の周波数と変位量をデータベースとして保管し、供試体が最大変位量を超えるまで加振指令値を増幅する特性把握試験を繰り返し行うことで、実際に試験を行いたい周波数領域をカバーするように、供試体を最大変位で加振できる補正量を決定する。この補正量を利用して、試験パターンを補正することで所望の変位で供試体を加振することができるようになる。

上記の手法を利用すれば，実際の供試体の変位が，試験装置のユーザが望む変位に調整することが可能である。よって，供試体に与える力やエネルギなどを評価する試験には有効な手法である。

しかしながら、特許文献１の手法では振幅（ゲイン）のみを変更しており、位相の補償は実施されないため、動的に試験パターンを変更する場合は十分な性能を提供できない虞がある。

そこで、本発明は、供試体の挙動を正確に予測し、その予測値を用いて所望の供試体応答の実現、すなわち、変位の量（ゲイン）と位相の調整を行い得る試験装置及び試験装置のパラメータ調整方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る試験装置は、評価対象である供試体を配置する供試体設置部と、前記供試体設置部を加振するためのアクチュエータと、前記アクチュエータの応答を検出する内部センサと、試験装置の動作パターンを設定する目標波形設定部と、オペレータ操作を受け付けると共に試験動作を提示するユーザインタフェースと、前記アクチュエータの応答を制御し、且つ、試験結果を前記ユーザインタフェースに提示するコントローラと、を備えた試験装置であって、目標波形と内部センサの検出値との差を解消するように制御入力を計算するフィードバック制御部と、前記内部センサの検出値から供試体の応答を計算する供試体応答予測部と、実験データを用いて少なくとも前記供試体応答予測部の調整を行う実験データ解析部と、を有することを特徴とする。
また、本発明に係る試験装置のパラメータ調整方法は、評価対象である供試体を配置する供試体設置部と、前記供試体設置部を加振するためのアクチュエータと、前記アクチュエータの応答を検出する内部センサと、試験装置の動作パターンを設定する目標波形設定部と、オペレータ操作を受け付けると共に試験動作を提示するユーザインタフェースと、前記アクチュエータの応答を制御し、且つ、試験結果を前記ユーザインタフェースに提示するコントローラと、を備えた試験装置のパラメータ調整方法であって、実験データ解析部が、内部センサの検出値及び外部センサにより計測される供試体応答を加振開始から加振終了まで記憶し、前記実験データ解析部が、加振中に取得したデータを用いて供試体応答予測のための伝達関数を算出し、フィードフォワード制御の伝達関数のパラメータの調整を行うことを特徴とする。

本発明によれば、供試体の挙動を正確に予測し、その予測値を用いて所望の供試体応答の実現、すなわち、変位の量（ゲイン）と位相の調整を行い得る試験装置及び試験装置のパラメータ調整方法を提供することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る油圧駆動式振動試験装置を模式的に示す概観図である。 本発明の一実施例に係る実施例１の油圧駆動式振動試験装置の機能ブロック図である。 目標波形を示すグラフである。 目標波形とアクチュータ変位の様子を示すグラフである。 目標波形と供試体変位の様子を示すグラフである。 外部センサを利用したフィードバック制御の機能ブロック図である。 本実施例のフィードフォワード制御の設計に係るブロック線図である。 本実施例のフィードフォワード制御の設計に係るブロック線図である。 本実施例のフィードフォワード制御の設計に係るブロック線図である。 実施例１に係る試験装置の駆動方法を示すフローチャートである。 本発明の他の実施例に係る実施例２の油圧駆動式振動試験装置を模式的に示す概観図である。 図７に示す油圧駆動式振動試験装置の機能ブロック図である。 目標波形の修正方法を示す図である。 目標波形の修正方法を示す図である。 実施例２に係る試験装置の駆動方法を示すフローチャートである。 本発明の他の実施例に係る実施例３の油圧駆動式振動試験装置を模式的に示す概観図である。 図１１に示す油圧駆動式振動試験装置の機能ブロック図である。 プレフィルタタイプのフィードフォワード制御を含むブロック線図である。 本発明の他の実施例に係る実施例４の油圧駆動式振動試験装置の機能ブロック図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る油圧駆動式振動試験装置を模式的に示す概観図である。なお、本明細書では、説明の簡略化のため、１軸の油圧駆動式振動試験装置を例示して説明するが、本発明は１軸の油圧駆動式振動試験装置に限定されるものではない。例えば、駆動方式が油圧式の油圧ピストンでなく、電動式の直動アクチュエータであっても良い。さらに、本発明の適用範囲は振動試験装置に限定されるものでもない。例えば、回転運動によって遠心加速度を発生させる遠心力載荷試験装置などにも適用でき、試験装置の一例として、以下では、油圧駆動式振動試験装置を試験装置の一例として説明する。なお、図1では、点線は信号線を示し、実線は配管を示している。

図１に示すように、ユーザインタフェース１は、試験装置の一例として油圧駆動式振動試験装置１００のユーザ若しくはオペレータが各種試験パターンを設定するために利用される。オペレータはユーザインタフェース１を介して、目的とする加振波形を設定する。
ユーザインタフェース１は目標信号を生成する装置であるため、専用の端末に限らず、操作端末とシグナルジェネレータの組合せなど複数機器で構成されていても良い。なお、操作端末は、通常のパソコン（ＰＣ）やタブレットＰＣであっても良い。

なお，ユーザインタフェース１で設定する加振波形の次元は変位，速度，加速度の何れでもよい。オペレータは，過去に実際に起きた地震波形の再現や，特定の挙動を励起するように任意のパターンで加振波形を設計する。
試験用の目標信号を生成する端末（シグナルジェネレータやＰＣ）が、本発明における目標波形設定部に相当する。
コントローラ２は、ユーザインタフェース１で設定された目標通りに油圧駆動式振動試験装置を動かすための各種制御演算を実行する。コントローラ２は、ユーザインタフェース１で設定した目標加振波形と後述する各種センサＳ０１～Ｓ０６の値を取得して、サーボアンプ３の操作量の演算を行う。なお、コントローラ２の詳細な構成は後述する。

サーボアンプ３は、コントローラ２から出力された指令（電圧）を、サーボバルブ４を駆動するために電流値へと変換する。
サーボバルブ４は、サーボアンプ３から受け取った電流値に従って、弁の開閉を行うことで、油圧源５から油圧シリンダ６に流れる圧油を調整する。サーボバルブ４と油圧源５の間に圧油の温度を検出する温度センサＳ０１が備えられる。

サーボバルブ４を経て油圧シリンダ６に供給された圧油は、油圧ピストン７を駆動する。このとき、サーボバルブ４の図１中の左右どちらのポートから圧油が供給されるかによって、油圧ピストン７の駆動方向が変更される。サーボバルブ４から吐出された圧油は流量センサＳ０２ａ，Ｓ０２ｂによって検出可能である。油圧ピストン７の駆動方向に応じて、圧油の流れる経路が変わるため、駆動方向によって使用する流量センサを適宜変更しても良い。

油圧ピストン７は、カップリング８を介してテーブル９に力を加えることで、テーブル９を振動させる。油圧ピストン７には、速度センサＳ０３及び変位センサＳ０４が備え付けられている。なお、必ずしも、速度センサＳ０３及び変位センサＳ０４を両方とも備える必要はない。例えば、変位センサＳ０４のみが備えられている場合には、検出値の差分を速度として近似利用すれば良い。また、速度センサＳ０３のみが備えられている場合には、積分値を変位量としても良い。さらにまた、速度センサＳ０３や変位センサＳ０４の替わりに、若しくは、追加して加速度センサを備えても良い。これら油圧ピストン７の変位を検出するためのセンサが、本発明の内部センサに相当する。

油圧シリンダ６には、油圧ピストン７の前後圧を検出するための圧力センサＳ０５ａ，Ｓ０５ｂが備えられている。これらのセンサを区別する必要がある場合は、油圧ピストン７からテーブル９に向かう軸にｘ軸をとり、ｘ軸の負側の圧力センサＳ０５ａを後方圧力センサ、ｘ軸の正側の圧力センサＳ０５ｂを前方圧力センサと呼ぶ。

上述のサーボアンプ３、サーボバルブ４、油圧源５、油圧シリンダ６、及び油圧ピストン７にて、後述する本発明におけるアクチュエータ１１が構成される。

テーブル９に、試験対象になる構造物（供試体１０）を備え付け、ユーザインタフェース１で設定した加振波形に従って、供試体１０を加振することで、各種評価を行う。テーブル９は本発明における供試体設置部に相当する。

以上の構成が顧客現場に備えつけられている試験装置（油圧駆動式振動試験装置１００）の構成である。本発明では、上記の構成に加えて、供試体１０の挙動（変位，速度，加速度）を計測するために、非接触センサＳ０６を別途用意する。非接触センサＳ０６は本発明の外部センサに相当する。非接触センサＳ０６として、例えば、レーザー変位計が用いられる。非接触センサＳ０６は試験装置（油圧駆動式振動試験装置１００）の応答調整時に調整作業員が設置するものであり、顧客が利用するものではない。すなわち、顧客が行う加振試験時に非接触センサＳ０６の情報を利用することはできないことに注意されたい。

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。なお、以下では、説明を簡単にするため、全て加振波形が変位の次元で与えられる変位制御を前提とするが、速度制御或いは加速度制御であっても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。

図２は、本発明の一実施例に係る実施例１の油圧駆動式振動試験装置の機能ブロック図である。なお、図２では、理解を容易にするため便宜上、上述の図１に示した一部の構成要素を省略している。

図２に示すように、ユーザインタフェース１は、ＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１ａ及び目標波形設定部１ｂから構成される。ＧＵＩ１ａはオペレータが各種入力を行う操作端末（ＰＣやタブレットなど）に相当し、目標波形設定部１ｂは試験パターンを生成するシグナルジェネレータに相当する。なお、ＧＵＩ１ａはモニタを備えており、後述のとおり、オペレータが実験結果を視覚的に確認することができる。

コントローラ２は、フィードバック制御部２ａ、フィードフォワード制御部２ｂ、実験データ解析部２ｃ、及び供試体応答予測部２ｄから構成される。ここで、フィードバック制御部２ａ、フィードフォワード制御部２ｂ、実験データ解析部２ｃ、及び供試体応答予測部２ｄは、例えば、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサ、各種プログラムを格納するＲＯＭ、演算過程のデータを一時的に格納するＲＡＭ、外部記憶装置などの記憶装置にて実現されると共に、ＣＰＵなどのプロセッサがＲＯＭに格納された各種プログラムを読み出し実行し、実行結果である演算結果をＲＡＭ又は外部記憶装置に格納する。

フィードバック制御部２ａは、アクチュエータ１１（サーボアンプ３、サーボバルブ４、油圧源５、油圧シリンダ６、及び油圧ピストン７にて構成される）の挙動が安定になるように、内部センサ（変位センサＳ０４に相当）の出力結果に基づいてフィードバック制御入力の演算を行う。フィードバック制御にはＰＩＤ制御などが利用される。

フィードフォワード制御部２ｂは、ユーザインタフェース１を構成する目標波形設定部１ｂで設定された目標波形に基づいてフィードフォワード制御入力の計算を行う。フィードフォワード制御入力の演算の詳細は後述する。
アクチュエータ１１には、上記のフィードバック制御入力とフィードフォワード制御入力を足し合わせた値が指令値として印加される。

実験データ解析部２ｃは、内部センサ（変位センサＳ０４に相当）で取得したアクチュータ１１の変位及び外部センサ（非接触センサＳ０６に相当）で取得した供試体１０の変位に従って、上述のフィードフォワード制御部２ｂのパラメータ調整及び後述する供試体応答予測部２ｄのパラメータ調整を行う。実験データ解析部２ｃの演算の詳細は後述する。
供試体応答予測部２ｄは、内部センサ（変位センサＳ０４）で取得したアクチュエータ１１の変位と、実験データ解析部２ｃで算出されたパラメータに従って供試体１０の変位の予測値を計算する。この機能によって、外部センサ（非接触センサＳ０６）がない状態でも、試験装置（油圧駆動式振動試験装置１００）のオペレータは供試体１０の変位を把握することができる。

以下、いくつかの図を用いて、コントローラ２におけるフィードフォワード制御部２ｂ、実験データ解析部２ｃ、及び供試体応答予測部２ｄについて具体的に説明する。

フィードフォワード制御部２及び供試体応答予測部２ｄの２つの機能ブロックは、初回加振時は機能しておらず、予め試験加振を行って供試体１０の変位及びアクチュエータ１１の変位のデータが実験データ解析部２ｃに記憶され、分析されてからそれぞれの機能が有効になる。

具体例として、図３Ａに示すような黒実線で示す目標波形で試験加振を実施したとする。この時、内部センサ（変位センサＳ０４）で取得したアクチュエータ１１の変位は、図３Ｂ中の点線、外部センサ（非接触センサＳ０６）で取得した供試体１０の変位は、図３Ｃの一点鎖線で示される波形として得られたとする。

本実施例に係る試験装置（油圧駆動式振動試験装置１００）の制御目的は、目標波形と供試体１０の応答（外部センサＳ０６の波形）を一致させることである。
ただし、コントローラ２を構成するフィードバック制御部２ａは、アクチュエータ１１の応答（内部センサＳ０４の応答）を目標波形に合わせるために利用されるものである。すなわち、フィードバック制御部２ａは、図３Ｂに示される２つの波形を一致させるために用いられる。よって、上記の目標を達成する、すなわち図３Ｃに示される２つの波形を一致させるには不向きであることに注意が必要である。

なお、供試体１０に外部センサＳ０６が取り付けられた場合、図４に示すように、フィードバック制御部２ａを構築すれば、供試体１０の応答が目標波形に一致するようにアクチュエータ１１を制御できる可能性がある。しかし、このようなフィードバック制御を行うと、アクチュエータ制御の内部安定性を保証できないため、試験装置（油圧駆動式振動試験装置１００）を破損する虞がある。
以上を鑑みて、本実施例係る試験装置（油圧駆動式振動試験装置１００）は、供試体１０の応答を目標波形に一致させるために、フィードフォワード制御部２ｂを活用する。

フィードフォワード制御部２ｂの具体的な設計方法について説明する。
図５Ａは、本実施例のフィードフォワード制御の設計に係るブロック線図であって、フィードフォワード制御部２ｂが無効な状態であり、フィードバック制御部２ａのみが有効な時の制御ブロック図である。Ｃはフィードバック制御部（図５Ａ中、ＦＢ制御）の伝達関数であり、Ｐはアクチュエータ１１の伝達関数であり、Ｇはテーブル９（供試体設置部）を含む供試体１０の伝達関数を意味する。

この時、目標値ｒ（目標波形１ｂに相当）からアクチュエータ１１の応答ｙ（内部センサＳ０４の応答に相当）までの伝達関数は以下の式（１）で与えることができる。

さらに、アクチュエータ１１の応答ｙから供試体１０の応答ｚ（外部センサＳ０６の応答に相当）は以下の式（２）で与えることができる。

上述の式（１）及び式（２）より、目標値ｒから供試体の応答ｚへの応答を以下の式（３）で与えることができる。

図５Ｂは、本実施例のフィードフォワード制御の設計に係るブロック線図であって、フィードフォワード制御部２ｂが有効になったときのブロック線図である。Ｆがフィードフォワード制御（図５Ｂ中、ＦＦ制御）の伝達関数である。

フィードフォワード制御が有効な時、目標値ｒからアクチュータ１１の変位ｙまでの伝達関数は以下の式（４）で表現できる。

先ほどと同様に、目標値ｒから供試体１０の応答ｚへの応答は以下の式（５）で与えることができる。
ここで、フィードバック制御のみが有効な時に得られた供試体１０の応答ｚをｚ１とし、フィードフォワード制御が追加されたときに得られる供試体１０の応答ｚをｚ２とすると、上述の式（３）及び以下の式（５）より、式（６）の関係式を得ることができる。

すなわち、フィードバック制御のみが有効な時に取得した供試体１０の応答ｚ１（外部センサＳ０６のデータ）があれば、フィードフォワード制御を加えた後の供試体１０の応答ｚ２を式（６）で設計することができる。

より具体的には、図５Ｃのように理想的な応答を表現した参照モデルＭに対する供試体１０の応答ｚｍ（以下に示す式（７））とフィードフォワード制御を加えた後の供試体１０の応答ｚ２の差ができるだけ小さくなるように、以下に示す式（８）の評価関数Ｊを最小化するようにフィードフォワード制御Ｆを設計する。

例えば、フィードフォワード制御を、調整パラメータρを有する伝達関数として、以下の式（９）で定義すると、式（８）を最小化するように調整パラメータρを算出することができる。ここで、ｓはラプラス変換である。

なお、式（９）の次数ｍが大きいほど、実現可能な制御動作の幅が広がり、理想応答ｚｍに近い波形を実現できるようになるが、一方で最適化計算に必要な時間が長くなる。
このため、次数ｍは小さな値で設定し、所望の精度を実現できない場合に限り、次数ｍを大きくする運用方法が望ましい。

さらに、上述の式（６）によれば、設計したフィードフォワード制御Ｆと実測した供試体１０の応答z１を利用して、設計したフィードフォワード制御追加後の応答ｚ２が予測できる。この予測結果を利用して、設計したフィードフォワード制御Ｆが所望の応答を実現するかを事前に計算することができる。この事前計算結果を利用して、次数ｍの調整を行う機構が備わっていることが望ましい。

以上、実験データ（供試体の変位ｚ１）を用いてフィードフォワード制御部２ｂを設計するアルゴリズムが実験データ解析部２ｃに実装されている。

上述のように、フィードバック制御のみが有効な状態でアクチュエータ１１の応答ｙと供試体１０の応答ｚを取得すると図５における供試体の伝達関数Ｇの入出力データが利用できる。
入出力データがあれば、システム同定を利用して伝達関数Ｇを推定することができる。システム同定で得られた伝達関数Ｇｄを利用すれば、アクチュエータ１１の応答ｙから供試体１０の応答ｚの予測値ｚｄを以下の式（１０）で得ることができる。

以上のように、実験データ（アクチュータ１１の変位ｙ、供試体１０変位ｚ）を利用して供試体応答予測部２ｄを設計するアルゴリズムが実験データ解析部２ｃに実装されている。

一般に、供試体１０の応答予測を行う場合、供試体１０の機構モデル（運動方程式）を構築して、その機構モデルの伝達関数を算出する。このような手法の場合、供試体が変更されるたびに機構モデルを構築する必要があり、試験装置（油圧駆動式振動試験装置１００）のユーザに負担がかかる。一方で、システム同定によって、供試体１０の伝達関数Ｇｄを求める手法は供試体１０が頻繁に変わる試験装置（油圧駆動式振動試験装置１００）でも、試験加振を行うのみで、供試体１０の応答を取得できる点にメリットがある。
なお、システム同定を行う場合、フィードフォワード制御Ｆと同様に、伝達関数Ｇｄの次数ｎも大きいほど表現力が高くなる。ただし、次数ｎが高すぎると予測計算時間が必要になるため、次数ｎはできるだけ低いほうが望ましい。このため、低い次数から同定をはじめ、モデルの精度（平均二乗誤差など）をユーザに提示して、徐々に次数を上げていく方式が望ましい。

次に本実施例に係る試験装置（油圧駆動式振動試験装置１００）の駆動方法について説明する。図６は、本実施例に係る試験装置（油圧駆動式振動試験装置１００）の駆動方法を示すフローチャートである。

図６に示すように、まず、試験装置（油圧駆動式振動試験装置１００）の立ち上げ準備として、ステップＳ０１において、オペレータが各種設定を行う。これはオペレータがユーザインタフェース１を構成するＧＵＩ１ａを操作して、試験パターンを設定する操作に相当する。そしてこの操作を行うことで、ユーザインタフェース１を構成する目標波形設定部１ｂに試験パターンが設定される。
また、コントローラ２では、オペレータが目標波形設定部１ｂに試験パターンを設定したタイミングで、フィードフォワード制御の伝達関数Ｆ（上述の式（９））の分子部分の係数ρｉ（ｉ＝０～ｍ）を全て“０”に設定する。このように設定することで、フィードフォワード制御部２ｂは常に“０”を出力する無効状態になる。
さらに、フィードフォワード制御の次数ｍを初期値（例えば、ｍ＝３）のように設定する。ステップＳ０１（初期設定）の処理が全て完了するとステップＳ０２に遷移する。

ステップＳ０２では、ユーザインタフェース１を構成する目標波形設定部１ｂに設定された試験パターンを利用した加振試験を行う。
ステップＳ０３において、実験データ解析部２ｃは、加振開始から内部センサ（変位センサＳ０４）及び外部センサ（非接触センサＳ０６）が出力するデータをロギングし始め、加振が終了するとデータのロギングを終了する。

ステップＳ０４では、実験データ解析部２ｃが、加振中に取得したデータを用いて供試体応答予測のための伝達関数Ｇｄを算出する。
その後、ステップＳ０５にて、供試体応答予測部２ｄが、実験データ解析部２ｃにより算出された伝達関数Ｇｄの精度予測値を、ユーザインタフェース１を構成するＧＵＩ１ａのモニタに表示する。

ステップＳ０６では、調整員はＧＵＩ１ａのモニタに表示された予測精度が所望の値を満たしているかを確認し、調整員による確認結果（判断結果）の入力をＧＵＩ１ａが受け付け、次のステップに移行する。具体的には、調整員による確認結果（判断結果）の入力が「精度が十分」（ＹＥＳ）ならばステップＳ０８に遷移し、一方、調整員による確認結果（判断結果）の入力が「精度が不十分」（ＮＯ）ならばステップＳ０７に遷移する。

ステップＳ０７に遷移した場合、ＧＵＩ１ａを介して実験データ解析部２ｃにより算出された伝達関数Ｇｄの次数ｎを上げて再度ステップＳ０４に遷移する。なお、次数ｎを上げても精度が改善しない場合、それ以上の繰り返しを行わないように、ステップＳ０６での判定が「ＹＥＳ」になるようにする処理を有することが望ましい。

上述のステップＳ０４からステップＳ０７までの処理は実験データ解析部２ｃにて、供試体応答予測部２ｄを計算するステップに相当する。

ステップＳ０８では、実験データ解析部２ｃが、加振中に取得したデータを用いてフィードフォワード制御の伝達関数Ｆのパラメータの調整を行う。
ステップＳ０８でパラメータρの算出が終わるとステップＳ０９に遷移する。ステップＳ０９では、供試体応答予測部２ｄが、実験データ解析部２ｃにより算出されたパラメータρを用いて伝達関数Ｆと、上述の式（６）から供試体１０の変位の予測値ｚ２を算出し、算出結果として供試体１０の変位の予測値ｚ２を、ユーザインタフェース１を構成するＧＵＩ１ａへ出力し、ＧＵＩ１ａのモニタへ表示する。

ステップＳ１０にて、調整員は、ユーザインタフェース１を構成するにＧＵＩ１ａのモニタに表示された供試体１０の変位の予測値ｚ２を確認して、フィードフォワード制御Ｆを適用した時に得られる供試体応答が試験目的にマッチするかを判断する。試験目的にマッチすると判断した場合（ＹＥＳ）はステップＳ１２へ遷移し、一方、試験目的にマッチしない（ＮＯ）と判断した場合はステップＳ１１に遷移する。具体的には、調整員による判断結果の入力が「マッチした（目標達成）」（ＹＥＳ）をＧＵＩ１ａが受け付けるとステップＳ１２に遷移し、一方、調整員による確認結果（判断結果）の入力が「マッチしない（目標未達成）」（ＮＯ）をＧＵＩ１ａが受け付けるとステップＳ１１に遷移する。

ステップＳ１１に遷移した場合、フィードフォワード制御Ｆの次数ｍを変更する操作を行う。次数ｍが高いほど調整員の判断する条件を達成し易くなるが、計算時間も増えるため、次数ｍの増加幅は「１」とすることが望ましい。ステップＳ１１で次数変更を行ったら、ステップＳ０８に戻り、実験データ解析部２ｃが、再度フィードフォワード制御Ｆの各係数の計算を行う。この処理は、ステップＳ１０で調整員がＧＵＩ１ａを介して「マッチした（目標達成）」（ＹＥＳ）との判断を入力するまで、次数ｍを増やして繰り返される。なお、システム同定（上述のステップＳ０４）のパートと同じく、次数ｍを上げても結果が変わらない場合、ステップＳ１０で「ＹＥＳ」になるようにする処理を有することが望ましい。

ステップＳ０８からステップＳ１１の処理は実験データ解析部２ｃにて、フィードフォワード制御部２ｂのパラメータを計算するステップに相当する。
なお、システム同定（ステップＳ０４～ステップＳ０７）とフィードフォワード制御設計（ステップＳ０８～ステップＳ１１）の順番は逆になっても良い。

システム同定とフィードフォワード制御設計が終了すると、ステップＳ１２に遷移し、求まった各種パラメータを確定する。
以上、ステップＳ０１からステップＳ１２は試験装置（油圧駆動式振動試験装置１００）の調整員が行う作業である。この作業が実施されている最中は外部センサ（非接触センサＳ０６）が利用できるが、顧客（試験装置のオペレータ）への引き渡し時に外部センサ（非接触センサＳ０６）が撤去される。この撤去作業がステップＳ１３に含まれる。

ステップＳ１４にて、試験装置（油圧駆動式振動試験装置１００）のオペレータは調整済みのパラメータを用いて本加振実験を行う。
ステップＳ１５では、再試験を行う場合（ＹＥＳ）はステップＳ１６に遷移し、一方、再試験を行わない場合（ＮＯ）は終了する。

ステップＳ１６にて、再試験を行う場合でも供試体１０が変わらない場合（ＮＯ）は継続して試験を行うことができる。一方、供試体が変更されると、設計した供試体モデルＧｄ（供試体応答予測のための伝達関数Ｇｄ）とフィードフォワード制御Ｆを更新する必要があるため、ステップＳ０１に戻り上述の処理を繰り返し実行する。
なお、顧客（試験装置のオペレータ）が外部センサ（非接触センサＳ０６）を用意する場合、ステップＳ０１～ステップＳ１２のステップを顧客（試験装置のオペレータ）が実行できることは言うまでもない。そのような場合、上述のステップＳ１３も不要になる。

以上の通り、本実施例によれば、供試体の挙動を正確に予測し、その予測値を用いて所望の供試体応答の実現、すなわち、変位の量（ゲイン）と位相の調整を行い得る試験装置及び試験装置のパラメータ調整方法を提供することが可能となる。

図７は、本発明の他の実施例に係る実施例２の油圧駆動式振動試験装置を模式的に示す概観図であり、図８は、図７に示す油圧駆動式振動試験装置の機能ブロック図である。上述の実施例１では、コントローラ２がフィードフォワード制御部２ｂを有する構成であるのに対し、本実施例では、コントローラ２はフィードバック制御部２ａを有し、追加コントローラ２０を更に設け、追加コントローラ２０が実験データ解析部２ｃ及び供試体応答予測部２ｄを有する構成とした点が実施例1と異なる。実施例１と同様の構成要素に同一符号を付し、以下では、実施例１と重複する説明を省略する。

本実施例に係る試験装置の一例としての油圧駆動式振動試験装置１００ａを構成するコントローラ２がフィードフォワード制御部２ｂを有しない点に特徴があり、既設の試験装置など、コントローラ２のプログラムを更新することが困難なサイトでの利用に好適である。

図８に示すように、既設のコントローラ２は、フィードバック制御部２ａのみが実装されており、追加の機能を導入することができない。このため、非接触センサＳ０６のセンサ情報はコントローラ２に取り込むのではなく、別に用意した追加コントローラ２０に取り込む構成としている。よって、本実施例では、上述の実施例１におけるコントローラ２内に実装されていた実験データ解析部２ｃ及び供試体応答予測部２ｄが追加コントローラ２０に実装されている。ここで、フィードバック制御部２ａ、実験データ解析部２ｃ、及び供試体応答予測部２ｄは、例えば、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサ、各種プログラムを格納するＲＯＭ、演算過程のデータを一時的に格納するＲＡＭ、外部記憶装置などの記憶装置にて実現されると共に、ＣＰＵなどのプロセッサがＲＯＭに格納された各種プログラムを読み出し実行し、実行結果である演算結果をＲＡＭ又は外部記憶装置に格納する。

追加コントローラ２０は、内部センサ（変位センサＳ０４）と外部センサ（非接触センサＳ０６）で取得したデータを用いて、実験データ解析部２ｃを介して、供試体応答予測部２ｄで用いる供試体応答予測モデルＧｄ（供試体応答予測のための伝達関数Ｇｄ）の算出を行う。供試体応答予測モデルＧｄが得られたら、供試体応答予測部２ｄは内部センサ（変位センサＳ０４）からのデータを入力として、供試体１０の応答予測値ｚｄを算出し、ユーザインタフェース１を構成するＧＵＩ１ａのモニタに算出された供試体１０の応答予測値ｚｄを表示する。

試験装置（油圧駆動式振動試験装置１００ａ）のオペレータは供試体１０の応答予測ｚｄを確認しながら、実現したい目標波形ｒと供試体１０の応答予測ｚｄが一致するように目標波形を調整する。例えば、図９Ａに示すように、点線で示される目標波形rについて、一点鎖線で示される供試体１０の応答予測ｚｄのゲイン（変位）が低い場合、図９Ｂに示すように、ゲインを増やした修正目標波形ｒｄ（実線）を与えることで、供試体１０の応答予測ｚｄがもともとの目標波形ｒに一致するようになる。
供試体応答予測モデルＧｄが実際の供試体１０の応答Ｇに近ければ、供試体１０の応答予測ｚｄと供試体１０の実際の応答ｚは一致するため、図９Ｂの状態は、供試体１０を目標波形ｒで加振できていることになる。

図１０は、本実施例に係る試験装置（油圧駆動式振動試験装置１００ａ）の駆動方法を示すフローチャートである。図１０に示すフローチャートでは、上述の実施例１の図６に示したフローチャートと同一の処理若しくは同一の動作ステップに、同一のステップ番号を付している。以下では、図６と異なる点のみ説明する。

図１０におけるステップＳＳ０１からステップＳ０７は、上述の実施例１と同様である。ステップＳ０６で、調整員はＧＵＩ１ａのモニタに表示された予測精度が所望の値を満たしているかを確認し、調整員による確認結果（判断結果）の入力をＧＵＩ１ａが受け付け、次のステップに移行する。具体的には、調整員による確認結果（判断結果）の入力が「精度が十分」（ＹＥＳ）ならばステップＳ２１に遷移する。

ステップＳ２１及びステップＳ２２は、図６におけるステップＳ１２及びステップＳ１３と同様の処理である。
ステップＳ２３から試験装置（油圧駆動式振動試験装置１００ａ）のオペレータが調整を行うステップになる。図１０に示すように、ステップＳ２３では、まず、本当に加振したい目標波形ｒを初期値として試験装置（油圧駆動式振動試験装置１００ａ）を加振する。ステップＳ２４にて、目標波形ｒと供試体１０の応答予測ｚｄの一致率を確認する。オペレータは、目標波形ｒと供試体１０の応答予測ｚｄが十分に一致していれば（ＹＥＳ）となり、ステップＳ１４に遷移する。一方、一致率が不十分な場合（ＮＯ）はステップＳ２５に遷移する。

ステップＳ２５では、目標波形ｒと供試体１０の応答予測ｚｄの一致率が高くなるように、修正目標波形ｒｄをオペレータが設定する。この作業はオペレータの習熟度によって、目標波形ｒと供試体１０の応答予測ｚｄの一致率がかえって悪くなる可能性があることに注意が必要である。

ステップＳ２５にて修正した目標波形ｒｄ（修正目標波形ｒｄ）を用いて、再度ステップＳ２３にて試験加振を行い、目標波形ｒと供試体１０の応答予測ｚｄの一致率が十分に高くなるまで調整を繰り返す。

ステップＳ２４にて、目標波形ｒと供試体１０の応答予測ｚｄが十分に一致していれば（ＹＥＳ）、ステップＳ１４へ遷移する。ステップＳ１４以降の処理は上述の実施例１と同様である。

以上の通り本実施例によれば、供試体の応答を予測するため、外部センサを取り外してから、顧客に引き渡してフィードバック制御の調整を顧客であるオペレータが容易に行うことが可能となる。

図１１は、本発明の他の実施例に係る実施例３の油圧駆動式振動試験装置を模式的に示す概観図であり、図１２は、図１１に示す油圧駆動式振動試験装置の機能ブロック図である。上述の実施例２では、目標波形の修正を試験装置のオペレータが実施する形態を想定したが、目標波形を修正する機能も追加コントローラ２０に実装する構成とした点が実施例２と異なる。実施例２と同様の構成要素に同一符号を付し、以下では、実施例２と重複する説明を省略する。

図１１に示すように、本実施例に係る試験装置（油圧駆動式振動試験装置１００ｂ）では、ユーザインタフェース１と追加コントローラ２０が相互に情報の授受を行い、追加コントローラ２０から修正目標波形ｒｄが既設のコントローラ２に提供される構成を有する。

図１２に示すように、本実施例に係る追加コントローラ２０には、フィードフォワード制御部２０ｂ、実験データ解析部２０ｃ、及び供試体応答予測部２０ｄが実装されている。供試体応答予測部２０ｄについては、上述の実施例２における供試体応答予測部２ｄと同様のため説明を省略する。ここで、フィードフォワード制御部２０ｂ、実験データ解析部２０ｃ、及び供試体応答予測部２０ｄは、例えば、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサ、各種プログラムを格納するＲＯＭ、演算過程のデータを一時的に格納するＲＡＭ、外部記憶装置などの記憶装置にて実現されると共に、ＣＰＵなどのプロセッサがＲＯＭに格納された各種プログラムを読み出し実行し、実行結果である演算結果をＲＡＭ又は外部記憶装置に格納する。

本実施例に係るフィードフォワード制御部２０ｂは、上述の実施例１に係るフィードフォワード制御部２ｂと異なりプレフィルタタイプの補償器として作用する。すなわち、図５Ｂに示すフィードフォワード制御Ｆではなく、図１３に示すように、フィードフォワード制御Ｄとして考える。

図１３において、目標波形ｒから供試体１０の応答ｚまでの伝達関数は以下の式（１１）で与えることができる。

フィードバック制御Ｃのみが有効な場合の供試体１０の応答をｚ１，プレフィルタタイプのフィードフォワード制御Ｄが有効になった場合の供試体１０の応答をｚ３とすると、式（１２）の関係性が成り立つ。

上述の実施例１と同様に、プレフィルタタイプのフィードフォワード制御Ｄを以下の式（１３）のように調整パラメータθｉ（ｉ＝０～２ｍ）で与える、以下の式（１４）を最小化するように調整パラメータθｉを数値計算で算出すれば、所望の供試体１０の応答ｚｍを実現することができる。

図１３に示すように、本実施例では、ユーザインタフェース１を構成する目標波形設定部１ｂに設定した目標波形ｒをフィードフォワード制御部２０ｂで修正目標波形ｒ‘に変換したうえで、既存のコントローラ２のフィードバック制御部２ａに与えている。すなわち、上述の実施例２においてオペレータが手動で行っていた修正目標波形ｒｄの生成を自動化していると言える。

本実施例に係る試験装置の駆動方法を示すフローチャートは、上述の実施例１の図６に示すフローチャートと同様である。ただし、ステップＳ０３からステップＳ１１までの動作が、実施例１ではコントローラ２で実行されるのに対して、本実施例では、追加コントローラ２０で実行される点が異なる。

本実施例によれば、実施例２と比較し、オペレータが手動で行っていた修正目標波形ｒｄの生成を自動化することが可能となる。

図１４は、本発明の他の実施例に係る実施例４の油圧駆動式振動試験装置の機能ブロック図である。上述の実施例３では、プレフィルタタイプのフィードフォワード制御Ｄを追加コントローラ２０にて実現する構成であったのに対し、本実施例では、プレフィルタタイプのフィードフォワード制御Ｄをコントローラ２に実装する構成とした点が実施例３とことなる。

プレフィルタタイプのフィードフォワード制御Ｄは上述の実施例１のように、コントローラ２のプログラムを変更できる場合にも有効である。

図１４に示すように、本実施例に係る試験装置（油圧駆動式振動試験装置１００ｃ）は、コントローラ２内に上述の実施例３における追加コントローラ20に実装されているものと同様のものを実装している。

本実施例に係る試験装置（油圧駆動式振動試験装置１００ｃ）の駆動方法は、上述の実施例１における図６に示すフローチャートと同様である。

本実施例によれば、実施例１と同様の効果を奏することが可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。

１…ユーザインタフェース
１ａ…ＧＵＩ
１ｂ…目標波形設定部
２…コントローラ
２ａ…フィードバック制御部
２ｂ…フィードフォワード制御部
２ｃ…実験データ解析部
２ｄ…供試体応答予測部
３…サーボアンプ
４…サーボバルブ
５…油圧源
６…油圧シリンダ
７…油圧ピストン
８…カップリング
９…テーブル
１０…供試体
１１…アクチュエータ
２０…追加コントローラ
２０ｂ…フィードフォワード制御部
２０ｃ…実験データ解析部
２０ｄ…供試体応答予測部
Ｓ０１…温度センサ
Ｓ０２ａ，Ｓ０２ｂ…流量センサ
Ｓ０３…速度センサ
Ｓ０４…変位センサ
Ｓ０５ａ，Ｓ０５ｂ…圧力センサ
Ｓ０６…非接触センサ（外部センサ）
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…油圧駆動式振動試験装置

Claims (11)

1. 評価対象である供試体を配置する供試体設置部と、前記供試体設置部を加振するためのアクチュエータと、前記アクチュエータの応答を検出する内部センサと、試験装置の動作パターンを設定する目標波形設定部と、オペレータ操作を受け付けると共に試験動作を提示するユーザインタフェースと、前記アクチュエータの応答を制御し、且つ、試験結果を前記ユーザインタフェースに提示するコントローラと、を備えた試験装置であって、
   目標波形と内部センサの検出値との差を解消するように制御入力を計算するフィードバック制御部と、
   前記内部センサの検出値から供試体の応答を計算する供試体応答予測部と、
   実験データを用いて少なくとも前記供試体応答予測部の調整を行う実験データ解析部と、
   を有することを特徴とする試験装置。
2. 請求項１に記載の試験装置において、
   前記コントローラは、前記フィードバック制御部と、目標波形に従って制御入力を計算するフィードフォワード制御部と、前記供試体応答予測部と、前記実験データ解析部と、を有することを特徴とする試験装置。
3. 請求項１に記載の試験装置において、
   追加コントローラを備え、
   前記追加コントローラは、前記供試体応答予測部及び前記実験データ解析部を有することを特徴とする試験装置。
4. 請求項１に記載の試験装置において、
   追加コントローラを備え、
   前記追加コントローラは、目標波形と内部センサの検出値との差を解消するように目標波形を修正するプレフィルタタイプのフィードフォワード制御部と、前記供試体応答予測部及び前記実験データ解析部を有することを特徴とする試験装置。
5. 請求項１に記載の試験装置において、
   前記コントローラは、前記フィードバック制御部と、目標波形と内部センサの検出値との差を解消するように目標波形を修正するプレフィルタタイプのフィードフォワード制御部と、前記供試体応答予測部及び前記実験データ解析部を有することを特徴とする試験装置。
6. 請求項２に記載の試験装置において、
   供試体応答を計測する外部センサを備え、
   前記実験データ解析部は、ユーザインタフェースから調整用の目標波形を設定した状態で試験加振を実施し、試験加振時の内部センサの検出値と外部センサの検出値を記録し、前記内部センサの検出値と外部センサの検出値に従って供試体応答予測部の予測モデルを更新し、外部センサの検出値に従ってフィードフォワード制御部を更新することを特徴とする試験装置。
7. 請求項３に記載の試験装置において、
   供試体応答を計測する外部センサを備え、
   前記実験データ解析部は、ユーザインタフェースから調整用の目標波形を設定した状態で試験加振を実施し、試験加振時の内部センサの検出値と外部センサの検出値を記録し、前記内部センサの検出値と外部センサの検出値に従って供試体応答予測部の予測モデルを更新することを特徴とする試験装置。
8. 請求項４に記載の試験装置において、
   供試体応答を計測する外部センサを備え、
   前記実験データ解析部は、ユーザインタフェースから調整用の目標波形を設定した状態で試験加振を実施し、試験加振時の内部センサの検出値と外部センサの検出値を記録し、前記内部センサの検出値と外部センサの検出値に従って前記供試体応答予測部の予測モデルを更新し、外部センサの検出値に従って前記プレフィルタタイプのフィードフォワード制御部を更新することを特徴とする試験装置。
9. 請求項５に記載の試験装置において、
   供試体応答を計測する外部センサを備え、
   前記実験データ解析部は、ユーザインタフェースから調整用の目標波形を設定した状態で試験加振を実施し、試験加振時の内部センサの検出値と外部センサの検出値を記録し、前記内部センサの検出値と外部センサの検出値に従って供試体応答予測部の予測モデルを更新し、外部センサの検出値に従ってプレフィルタタイプのフィードフォワード制御部を更新することを特徴とする試験装置。
10. 評価対象である供試体を配置する供試体設置部と、前記供試体設置部を加振するためのアクチュエータと、前記アクチュエータの応答を検出する内部センサと、試験装置の動作パターンを設定する目標波形設定部と、オペレータ操作を受け付けると共に試験動作を提示するユーザインタフェースと、前記アクチュエータの応答を制御し、且つ、試験結果を前記ユーザインタフェースに提示するコントローラと、を備えた試験装置のパラメータ調整方法であって、
    実験データ解析部が、内部センサの検出値及び外部センサにより計測される供試体応答を加振開始から加振終了まで記憶し、
    前記実験データ解析部が、加振中に取得したデータを用いて供試体応答予測のための伝達関数を算出し、フィードフォワード制御の伝達関数のパラメータの調整を行うことを特徴とする試験装置のパラメータ調整方法。
11. 請求項１０に記載の試験装置のパラメータ調整方法において、
    供試体が変更されると、前記実験データ解析部が、内部センサの検出値及び外部センサにより計測される供試体応答を加振開始から加振終了まで記憶することを特徴とする試験装置のパラメータ調整方法。

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