JPH09203700A - 材料試験機 - Google Patents

材料試験機

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JPH09203700A
JPH09203700A JP1205696A JP1205696A JPH09203700A JP H09203700 A JPH09203700 A JP H09203700A JP 1205696 A JP1205696 A JP 1205696A JP 1205696 A JP1205696 A JP 1205696A JP H09203700 A JPH09203700 A JP H09203700A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 制御ループゲインに応じて負荷試験波形の振
幅および平均値を補正する。 【解決手段】 供試体SPを負荷するアクチュエータの
制御量が振幅、平均値および周波数により規定される負
荷試験波形に追従するようにフィードバック制御を行な
う材料試験機において、フィードバック制御系の制御ル
ープゲインに応じて負荷試験波形の振幅と平均値を補正
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、引張り圧縮試験機
や疲労試験機などの材料試験機に関する。
【0002】
【従来の技術】供試体に引張り荷重や圧縮荷重などを負
荷して試験を行なう材料試験機が知られている。この種
の材料試験機では、図3に示すように、供試体に負荷す
る荷重または変位の試験波形wの振幅a、平均値mおよ
び周波数を設定し、負荷用のアクチュエータの制御量が
負荷試験波形wに追従するようにフィードバック制御を
している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、一般に試験
波形の周波数が高くなるとアクチュエータが追従できな
くなり、制御量の振幅が低下する。特に、サーボ弁によ
り負荷用の油圧アクチュエータを駆動する電気油圧サー
ボ式の材料試験機では、サーボ弁の高周波領域の応答性
が低いので、この問題が顕著に現れる。この問題を解決
するために、従来の材料試験機では、制御量が低下する
と試験波形の振幅を予め設定した量だけ補正し、制御量
の低下を補償している。
【0004】しかしながら、負荷用アクチュエータの種
類、供試体の種類、試験条件などにより制御ループゲイ
ンの特性が異なるため、補正に時間がかかり、制御精度
も低下するという問題がある。
【0005】本発明の目的は、制御ループゲインに応じ
て負荷試験波形の振幅および平均値を補正する材料試験
機を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、供試体を負荷
するアクチュエータの制御量が振幅、平均値および周波
数により規定される負荷試験波形に追従するようにフィ
ードバック制御を行なう材料試験機に適用され、フィー
ドバック制御系の制御ループゲインに応じて負荷試験波
形の振幅と平均値を補正する。
【0007】
【発明の実施の形態】図1は本発明の一実施形態の構成
を示す図である。供試体SPに圧縮荷重または引張荷重
などを加える試験機本体10は、基台11上に一対の支
柱12a,12bとヨーク13とにより負荷枠を形成
し、支柱12a,12bに上下に移動可能にクロスヘッ
ド14を取り付けて構成される。基台11には負荷用の
油圧アクチュエータ15が設置され、そのピストンロッ
ド15aには供試体固定用の下部治具16aが取り付け
られている。また、クロスヘッド14にはロードセル1
7を介して供試体固定用の上部治具16bが取り付けら
れている。油圧アクチュエータ15はサーボ弁18によ
り圧油方向と圧油量が制御されてピストンロッド15a
が伸縮し、それによって上部治具16aと下部治具16
bとの間に固定された供試体SPが負荷される。油圧ア
クチュエータ15のストローク、すなわち供試体SPの
変位は、油圧アクチュエータ15に取り付けられた作動
トランス19により検出される。
【0008】試験機本体10を制御する制御系20は、
制御回路21、入出力装置22、増幅器23,25,2
7、A/D変換器24,28、D/A変換器26などを
備えている。制御回路21は、マイクロコンピュータと
その周辺部品から構成され、供試体SPを負荷する試験
波形と、ロードセル17から増幅器23およびA/D変
換器24を介して入力した荷重信号と、作動トランス1
9から増幅器27およびA/D変換28を介して入力し
た変位信号とに基づいて、油圧アクチュエータ15を駆
動するための制御信号を生成し、D/A変換器26およ
び増幅器25を介してサーボ弁18へ出力する。入出力
装置22は、供試体SPの負荷試験波形wの振幅a、平
均値m、周波数などを入力する入力部と、試験結果の供
試体のSPの荷重−変位特性などを出力する出力部とを
備えている。
【0009】図2は、ソフトウエアにより構成される制
御回路21の制御ブロック図である。制御回路21は、
マイクロコンピュータのソフトウエア形態で構成される
波形発生回路211、AGC回路212、減算器21
3、コントローラ214を備えている。制御対象30
は、上述したサーボ弁18、油圧アクチュエータ15、
D/A変換器26、増幅器25である。また、検出器4
0は、供試体SPの荷重を検出するためのロードセル1
7、増幅器23およびA/D変換器24と、供試体SP
の変位を検出するための作動トランス19、増幅器27
およびA/D変換器28である。制御回路21は制御対
象30へ荷重または変位の操作量uを出力し、制御対象
30は供試体SPに負荷して荷重または変位の制御量y
を発生させる。検出器40は、荷重または変位の制御量
yを検出し、信号fとして制御回路21にフィードバッ
クする。
【0010】波形発生回路211は、供試体SPの試験
条件に応じた試験波形wを発生する。試験波形wは、図
3に示すように、所定の振幅(amplitude、以下では記
号aで表わす)と、平均値(mean、以下では記号mで表
わす)と、周波数とにより設定される。この明細書で
は、試験波形wの振幅を振幅目標値waと呼び、試験波
形wの平均値を平均目標値wmと呼ぶ。この試験波形w
はAGC回路212に供給される。
【0011】AGC回路212は、試験波形wの振幅目
標値waおよび平均目標値wmと、検出器40からの荷
重または変位のフィードバック信号fの振幅faおよび
平均値fmとに基づいて、振幅目標値waおよび平均目
標値wmをそれぞれ補正するための係数を算出し、補正
係数により補正した試験波形rを出力する。なお、この
明細書では試験波形rの振幅を振幅設定値raと呼び、
試験波形rの平均値を平均設定値rmと呼ぶ。このAG
C回路212の動作を説明する。通常、AGC回路21
2は、振幅目標値waとフィードバック振幅faとの偏
差eaに予め設定された係数α1を乗じて振幅設定値r
aを補正する。同様に、平均目標値mとフィードバック
平均値fmとの偏差emに予め設定された係数β1を乗
じて平均設定値rmを補正する。すなわち、
【数1】ea=wa−fa, em=wm−fm
【数2】(ra+ea・α1)→ra, (rm+em・β1)→rm
【0012】しかし、補正係数α1,β1は通常、0.
2〜0.5の範囲に設定されるので、制御対象30、特
にサーボ弁18の周波数特性により制御系20のループ
ゲインが低下すると、補正が不十分となり、制御性能が
著しく低下する。そこで、この実施形態では、試験周波
数における制御系のループゲインに相関する係数α2,
β2を算出し、これらの係数α2,β2により係数α
1,β1を補正する。なお、係数α2,β2は制御ルー
プゲインが低下するほど増大する。まず、数式2により
係数α1,β1で補正した振幅設定値raと平均設定値
rmを有する試験波形rで材料試験機を運転し、新たに
フィードバック振幅faとフィードバック平均値fmを
求め、次式により制御ループゲイン係数α2,β2を算
出する。
【数3】α2=ra/fa, β2=rm/fm そして、算出した係数α2,β2により数式2における
α1,β1を補正し、振幅設定値raと平均設定値rm
を更新する。すなわち、
【数4】ra+ea・α1・α2→ra, rm+em・β1・β2→rm 以後、数式4により補正された振幅設定値raと平均設
定値rmを有する試験波形rで材料試験を継続する。
【0013】減算器213、コントローラ214、制御
対象30および検出器40はフィードバック制御系を構
成し、減算器213は試験波形rとフィードバック信号
fとの偏差eを求め、コントローラ214は偏差eに基
づいて制御量yが試験波形rに追従するようにフィード
バック制御する。なお、コントローラ214は古典制御
理論に基づくPIDのフィードバック制御を行ってもよ
いし、現代制御理論に基づく適応制御やオブザーバーな
どを用いてもよい。これらの制御方法は周知であり、本
発明とは直接関係がないので説明を省略する。制御結果
の操作量uは制御対象30に与えられ、それにより制御
対象30は制御量yを発生する。ここで、操作量uは制
御回路21からD/A変換器26へ出力されるサーボ弁
18の制御信号であり、制御量yはロードセル17で検
出される荷重または作動トランス19で検出される変位
である。
【0014】図4は制御回路21の処理を示すフローチ
ャートである。このフローチャートにより、実施形態の
動作を説明する。ステップ1において、入出力装置22
により試験波形wの振幅目標値wa、平均目標値wm、
周波数を設定し、続くステップ2で材料試験を開始し、
試験波形wでフィードバック制御を行なう。なお、試験
開始直後は試験波形rは試験波形wと同一である。ステ
ップ3でフィードバック振幅faとフィードバック平均
値fmを検出し、数式1により振幅偏差eaと平均値偏
差emを求める。そして、数式2により振幅設定値ra
と平均設定値rmを更新する。ステップ4で、更新した
振幅設定値raと平均設定値rmを有する試験波形rで
フィードバック制御を行なう。続くステップ5では、フ
ィードバック振幅faとフィードバック平均値fmを検
出し、数式3により制御ループゲインに相関する係数α
2,β2を算出する。そして、ステップ6で係数α2,
α2を用いて振幅設定値raと平均設定値rmを更新す
る。ステップ7において、係数α2,β2と最新のe
a,emを使って更新した振幅設定値raと平均設定値
rmを有する試験波形rでフィードバック制御を行な
う。ステップ8で、入出力装置22により試験の終了操
作が行われると処理を終了する。
【0015】このように、材料試験中に制御ループゲイ
ンに相関する係数α2,β2を算出し、これらの係数α
2,β2により負荷試験波形wの振幅aと平均値mを補
正して制御ループゲインの低下を補償するようにしたの
で、負荷用のアクチュエータの種類、供試体の種類、試
験条件が変っても制御ループゲインに応じて自動的に負
荷試験波形wの振幅と平均値が短時間に補正され、高い
制御精度を維持することができる。
【0016】−発明の実施の形態の変形例− 上述した実施形態では材料試験中に制御ループゲインに
相関する係数を算出し、これらの係数により負荷試験波
形の振幅と平均値を補正して制御ループゲインの低下を
補償するようにしたが、材料試験開始前に周波数をパラ
メータとして制御系の制御ループゲインを直接測定し、
測定結果により材料試験中の制御ループゲインの低下を
補償するようにしてもよい。制御ループゲインは材料試
験開始前に試験波形の周波数をパラメータとして測定
し、測定結果のループゲインを試験周波数に対応づけて
メモリに記憶する。そして、材料試験を開始し、試験中
の制御ループゲインの低下を次式により補償する。
【数5】ra+ea・α1/LP→ra, rm+em・β1/LP→m, ここで、LPは材料試験に先だって測定した試験周波数
における制御ループゲインである。このようにすれば、
材料試験中の数回の補正でどのような周波数においても
目標値通りの振幅値と平均値が得られる。
【0017】−発明の実施の形態の他の変形例−上述し
た変形例では、材料試験前に制御系のループゲインを直
接測定したが、図2に示す各ブロックの伝達関数を求
め、フィードバック制御系20の開ループゲインを算出
して理論的に制御ループゲインを求めてもよい。そし
て、算出した制御ループゲインを用いて試験中に上記数
式5により負荷試験波形の振幅aと平均値mを補正す
る。
【0018】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、供
試体を負荷するアクチュエータの制御量が振幅、平均値
および周波数により規定される負荷試験波形に追従する
ようにフィードバック制御を行なう際、フィードバック
制御系の制御ループゲインに応じて負荷試験波形の振幅
と平均値を補正するようにしたので、負荷用のアクチュ
エータの種類、供試体の種類、試験条件が変っても制御
ループゲインに応じて自動的に負荷試験波形の振幅と平
均値が短時間に補正され、高い制御精度を維持すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 一実施形態の構成を示すブロック図。
【図2】 一実施形態の制御系を示す制御ブロック図。
【図3】 試験波形を示す図。
【図4】 制御回路の処理を示すフローチャート。
【符号の説明】
10 試験機本体 15 油圧アクチュエータ 17 ロードセル 18 サーボ弁 19 作動トランス 20 制御系 21 制御回路 22 入出力装置 23,25,27 増幅器 24,28 A/D変換器 26 D/A変換器

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 供試体を負荷するアクチュエータの制御
    量が振幅、平均値および周波数により規定される負荷試
    験波形に追従するようにフィードバック制御を行なう材
    料試験機において、フィードバック制御系の制御ループ
    ゲインに応じて前記負荷試験波形の振幅と平均値を補正
    することを特徴とする材料試験機。
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