JP3238991B2 - 電気油圧式材料試験装置 - Google Patents

電気油圧式材料試験装置

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JP3238991B2 JP19829193A JP19829193A JP3238991B2 JP 3238991 B2 JP3238991 B2 JP 3238991B2 JP 19829193 A JP19829193 A JP 19829193A JP 19829193 A JP19829193 A JP 19829193A JP 3238991 B2 JP3238991 B2 JP 3238991B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、試験片に油圧を付与し
て計測値を電気的に検出して各種材料の性質を試験する
電気油圧式材料試験装置に係り、特に、1台の試験機に
より試験片を複数の負帰還制御モードで試験する電気油
圧式材料試験装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】材料試験は一般に、各種負帰還制御モー
ドをオペレータが選択し、その選択したモードで試験片
に荷重を加えて行うものである。この負帰還制御モード
には変位、伸び、荷重などのモードがあり、例えば試験
片を試験機のアクチュエータにチャッキングする場合に
は変位負帰還制御モードで行うが、試験の途中でこのモ
ードから他の負帰還制御モードに切換える場合に、各モ
ードのレベル差による試験片へのショックを避けるよう
に行うには、複雑な操作が必要である。
【0003】すなわち、図10に示すように、信号発生
器1、ポジション設定用ボリュウム2及び各試験の負帰
還制御モードに対応する変位、伸び、荷重の各検出器
3、4、5からの信号を加算器6を介して、試験片TP
に油圧を付与するアクチュエータ7の油圧制御系のサー
ボ弁8に入力すると共に、試験モード切換スイッチ9に
て所望モード状態に択一的に切り換えて、当該モード計
測値を電気的に検出するように構成したものである。な
お、図中10及び11は加算器6とサーボ弁8との間の
信号ラインに介装した増幅器及び電流計であり、また1
2、13、14は各検出器3〜5と試験モード切換スイ
ッチ9との間の信号ラインにそれぞれ介装したセンサア
ンプである。
【0004】一般にこの種の油圧を用いた材料試験装置
は、油圧源の油圧がアクチュエータ7に作用しない状
態、すなわち、不使用状態の間に、サーボ弁8のスプー
ルの中心位置やアクチュエータ7の位置が変化してお
り、このような状態のままで油圧源のポンプを駆動して
油圧を加えるとスプールやアクチュエータ7の位置によ
ってアクチュエータ7に瞬間的に大きな変位を与えると
同時に、アクチュエータ7に取り付けてある各種センサ
3〜5や試験片TPその他の部品を破壊したり、破壊し
ない場合でもそのまま試験を続けられない状態となり、
試験片TPを取り換えて再度試験をやり直したり、試験
片TPを取り付け直したり、センサからの基準レベルの
再調整を行わねばならないなどの問題が生じる。
【0005】このため従来装置においては、装置の使用
を開始するに際し予め、油圧源からサーボ弁8に供給さ
れている油圧を切って変位モード状態に切り換えた後、
ポジション設定用ボリュウム2を操作してサーボ弁電流
計11をモニタしてその値が零となるように調整し、そ
の後サーボ弁8に油圧を加えるという複雑な操作を必要
とした。
【0006】そこで従来、装置の電源スイッチをオンに
したときこれと関連作動して変位モード切換スイッチが
オンになると共に、信号発生器以外の信号がアクチュエ
ータの制御系に入力しないようにし、更に信号発生器以
外の信号がアクチュエータの制御系に入力しない状態に
なったとき、油圧源駆動スイッチがオンするように構成
することによって、装置の使用開始及び終了時におい
て、複雑な操作を行わなくとも、試験片やその他の部品
に使用を与えることなく取り扱いを容易にした装置が提
案されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の装置で
は、装置の複雑な操作を行わなくとも、試験片やその他
に支障を与えることなく、取り扱いが容易になる反面、
信号発生器以外の信号がアクチュエータの制御系に入力
しない状態になったとき始めて、油圧源の駆動スイッチ
がオンして油圧源からの油圧がアクチュエータに作用
し、このときから変位負帰還制御モード状態になるよう
になっている。
【0008】しかし、アクチュエータに作用する油圧源
からの油圧が安定するには、比較的長い時間が必要であ
るため、負帰還制御モード切換を伴う試験の場合の試験
時間が長くなるという問題があった。
【0009】よって本発明は、上述した従来の問題点に
鑑み、負帰還制御モードの切り換えを試験片やその他に
支障を与えることなく、しかも油圧をかけたままで切り
換え作業が行え、取り扱いが容易で、負帰還制御モード
切換を伴う試験に要する時間を短くすることができる電
気油圧式材料試験装置を提供することを目的としてい
る。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明により成された電気油圧式材料試験装置は、図1
の基本構成図に示すように、1台の試験機により試験片
TPを複数の負帰還制御モードで試験する電気油圧式材
料試験装置において、各々が各負帰還制御モードにそれ
ぞれ対応して設けられ、出力が相互接続された複数の負
帰還ループ手段241 〜243 と、該複数の負帰還ルー
プ手段の出力の相互接続点と油圧アクチュエータ7のサ
ーボ弁8との間に設けられたサーボ弁駆動増幅手段25
とを備え、各負帰還ループ手段が、制御目標信号の他、
各モードの負帰還信号がそれぞれ加えられる負帰還加算
手段24a1 と、該負帰還加算手段にその出力信号を調
整するように加えられるポジション信号を設定するポジ
ション設定手段24b1 と、前記負帰還加算手段の前段
に設けられ負帰還加算手段に加えられる前記制御目標信
号に対するゲインを調整する信号ゲイン調整手段24a
2 と、前記負帰還加算手段の後段に設けられ負帰還加算
手段の出力信号に対するゲインを調整するフォワードゲ
イン調整手段24a4 と、前記ポジション設定手段、信
号ゲイン調整手段及びフォワードゲイン調整手段を制御
する制御手段24bとを有し、負帰還制御モードの切り
換え時、前記制御手段が、切り換え前後の前記負帰還ル
ープ手段の前記信号ゲイン調整手段のゲインを0にし、
切り換え前の前記負帰還ループ手段の前記フォワードゲ
イン調整手段のゲインを0まで漸減させると共に切り換
え後の前記負帰還ループ手段の前記フォワードゲイン調
整手段のゲインを所定値まで漸増させ、このとき切り換
え後の前記負帰還ループ手段の負帰還信号の大きさが一
定値を保持するように、前記ポジション設定手段により
ポジション信号を設定させることを特徴としている。
【0011】
【作用】上記構成において、複数の負帰還ループ手段2
1 〜243 の出力の相互接続点を油圧アクチュエータ
7のサーボ弁8との間に設けられたサーボ弁駆動増幅手
段25に接続するようにし、負帰還制御モードの切り換
え時に、制御手段24bが、切り換え前後の負帰還ルー
プ手段、例えば241 及び242 の信号ゲイン調整手
段、例えば24a21及び24a22のゲインを0にし、切
り換え前の負帰還ループ手段241 のフォワードゲイン
調整手段24a41のゲインを0まで漸減させると共に切
り換え後の負帰還ループ手段242 のフォワードゲイン
調整手段24a42のゲインを所定値まで漸増させ、この
とき切り換え後の負帰還ループ手段の負帰還信号の大き
さが一定値を保持するように、ポジション設定手段24
1 によりポジション信号を設定させるようにしてい
る。
【0012】従って、切り換え前と後の負帰還信号、す
なわちセンサ信号に殆ど変化がなく、換言すると、制御
モード切り換え前と後に試験片TPに作用している変
位、伸び或いは荷重の大きさに変化がなく、油圧を掛け
て切り換え作業を行っても、試験片に無用のショックが
与えられることがない。
【0013】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図2は本発明による電気油圧式材料試験装置の一
実施例の概略構成を示し、同図において、21は図示し
ないCRT、キーボード、記憶装置などを備えたホスト
コンピュータであり、CRTとキーボードとを使用して
設定された材料試験のための各種定数や、材料試験の結
果得られる各種データなどが記憶装置に記憶されるよう
になっている。22は予め定めた制御プログラムに従っ
て動作するマイクロコンピュータ(CPU)により構成
された制御用コンピュータであり、ホストコンピュータ
21により設定された各種試験条件のなかから選択され
たものに従って試験を制御する。
【0014】制御用コンピュータ22は共通バス23を
介して変位負帰還ループ241 、伸び負帰還ループ24
2 及び荷重負帰還ループ243 に接続され、負帰還ルー
プ241 〜243 の各々及び相互間の関係を制御する。
負帰還ループ241 〜243は図示しない変位センサか
らの変位信号、伸びセンサからの伸び信号及び荷重セン
サからの荷重信号がそれぞれ入力され、この入力された
信号を処理して制御目標信号に対する偏差を求めて偏差
信号を出力する。負帰還ループ241 〜243の出力は
相互接続された上でサーボ弁駆動増幅手段としてのサー
ボ弁駆動アンプ25の入力に接続され、サーボ弁駆動ア
ンプ25はその出力信号により図示しない油圧アクチュ
エータのサーボ弁を駆動する。
【0015】負帰還ループ241 〜243 のハード構成
は同一であり、その一つ241 についてその詳細を示す
と、図3に示すようになっている。すなわち、負帰還ル
ープ241 はデジタル信号プロセッサ(DSP)24a
と、このDSP24aを制御する制御手段としてのマイ
クロコンピュータ(CPU)24bとを有する。DSP
24aはこれに接続されたROM24cに格納した制御
プログラムに従って動作し、A/D変換回路24dによ
りデジタル信号に変換したセンサからの信号を取り込
み、この信号を処理して制御目標信号との偏差を求め、
デジタル形式の偏差信号を出力する。この偏差信号はD
/A変換回路24eによりアナログ信号に変換された後
サーボ弁駆動アンプ25に対し送出される。DSP24
aにはまたCPU24bと共に共用する共通RAM24
fも接続されている。
【0016】一方、CPU24bはこれに接続されたR
OM24gに格納した制御プログラムに従って動作し、
インタフェース(I/F)回路24hを介してバス23
に接続され、バス23を介して負帰還ループ241 から
受け取る指令信号に基づいて指令を実行し、A/D変換
回路24dによりデジタル信号に変換したセンサからの
信号を取り込み、この信号をRAM24iに書き込むと
共に処理してDSP24aを制御する。CPU24bに
はまたDSP24aと共に共用する共通RAM24fも
接続されている。
【0017】上記DSP24aは、ROM24cに格納
された制御プログラムに従って処理を行うことによっ
て、図4に示すような回路構成を実現している。すなわ
ち、DSP24aは、共通RAM24fからの目標信号
に相当する関数データEiとA/D変換回路24dから
のセンサ信号に相当するセンサデータEsとの偏差をと
る負帰還加算手段としての加算部24a1 と、加算部2
4a1 に加えられる関数データEiを調整する信号ゲイ
ン調整手段としての信号ゲイン調整部24a2 と、加算
部24a1 に加えられるA/D変換回路24dの出力の
センサデータEsを調整するセンサゲイン調整部24a
3 と、加算部24a1 の出力に得られる偏差信号に相当
する偏差データEeを調整するフォワードゲイン調整手
段としてのフォワードゲインP(比例)調整部24a4
と、フォワードゲインP調整部24a4 の出力データを
D/A変換回路24eによりアナログ信号に変換する前
にI(積分)D(微分)調整するID調整部24a5
を構成している。
【0018】なお、加算部24a1 にはCPU24bが
構成するポジション設定手段としてのポジション設定部
24b1 が発生するポジションデータEpが共通RAM
24fを介して供給される。また、センサアンプ26と
A/D変換回路24dとの間には、センサのゼロ調整を
するために第2の加算部27が設けられ、この加算部2
7にCPU24bが構成するゼロ調整信号発生部24b
2 からの調整信号が供給されるようになっている。更
に、A/D変換回路24dの出力のセンサデータEsは
モニタのためCPU24bに取り込まれてRAM24i
に記憶される。更にまた、D/A変換回路24eの出力
の偏差信号はサーボ弁駆動アンプ25に供給される。
【0019】上記信号ゲイン調整部24a2 、センサゲ
イン調整部24a3 及びフォワードゲインP調整部24
4 のゲイン係数Ki、Ks及びKfと、ID調整部2
4a 5 の係数IDは、CPU24bにより共通RAM2
4fに書き込まれており、この各係数をDSP24aが
読み込んでゲイン調整のための掛け算、偏差を得るため
の加減算及びID演算を高速で行って偏差信号をD/A
変換回路24eの入力に送出する。上記演算はA/D変
換回路24dによるサンプリング間隔内において行う。
これにより、全てをデジタル手段により構成でき、アナ
ログでの欠点であるS/Nを大幅に改善できると共に、
無調整化、信頼性の向上、低コスト化が実現できる。
【0020】上記DSP24aが図4の構成のように機
能するため、ROM24cに格納した制御プログラムに
従って行う処理を図5のフローチャートを参照して以下
説明する。DSP24aは例えば電源投入により起動
し、その最初のステップS1においてA/D変換回路2
4dによりサンプリングしたセンサデータEsを読み込
み、これを共通RAM24fに格納する。続いてステッ
プS2に進んで共通RAM24fのデータエリアに格納
されている関数データEiを読み込み、更に次のステッ
プS3において共通RAM24fのデータエリアに格納
されているポジションデータEpを読み込み、これらの
データを共通RAM24fのワークエリアに格納する。
そして次のステップS4において共通RAM24fから
係数Ki、Ks及びKfとID係数とを読み込み、この
データも共通RAM24fのワークエリアに格納する。
【0021】その後ステップS5に進み、ここで関数デ
ータEi及びセンサデータEsに係数Ki及びKsをそ
れぞれ乗じてゲイン調整を行い、このゲイン調整した関
数データEiとセンサデータEsとの偏差をとって偏差
データを求めると共にポジション調整を行う。関数デー
タEi、センサデータEs及びポジションデータEpの
加減算により、関数データEiとセンサデータEsとの
偏差をとって偏差データEeを求めると共にポジション
調整を行う。また、この偏差データEeに係数Kfを乗
じてゲイン調整Pを行ってから、このゲイン調整した偏
差データEeをID係数を用いてID調整する。
【0022】次にステップS6に進んで演算結果を出力
してD/A変換回路24eにD/A変換させてからステ
ップS7に進み、ここでT秒待ってから上記ステップS
1に戻り、次のサンプリングを行って上述の処理を繰り
返す。このようにT秒毎にセンサ信号をサンプリングし
てセンサデータEsを得、これから次のセンサデータを
得るまでの間に、各部のゲイン調整を含む全ての演算を
完了させて偏差データを出力することができるようにな
る。
【0023】上述した動作は選択されている負帰還制御
モードでの試験動作であるが、上述した装置の制御モー
ドの切り換え方法を、変位から伸びに切り換える場合を
例に、図6の簡略図を参照して以下説明する。
【0024】負帰還制御モードが変位モードにあるとき
には、フォワードゲイン調整部24a41のゲイン係数K
1 が予め定められた所定値にされ、フォワードゲイン
調整部24a42のゲイン係数Kf2 が0にされ、オープ
ン状態になっている。今、信号ゲイン調整部24a21
び24a22のゲインKi1 及びKi2 が共に0にされ、
加算部24a11及び24a12に加えられる関数データは
共に0となっているとする。この状態で、加算部24a
11にCPU24b1 により指定した大きさのポジション
データEp1 を供給すると共に、このときの負帰還信号
であるセンサデータEs1 をCPU24b1 が取り込ん
でモニタする。この結果、加算部a11の出力の偏差デー
タEe1 は略0になっているが、この値を常に保持しな
がら切り換え処理を行う。
【0025】次に、センサデータEs2 の値をCPU2
4b2 によりモニタし、このモニタしたEs2 の値に基
づいて偏差データEe2 が0になるように、CPU24
2がポジションデータEp2 (−Es2 )を指定す
る。その後フォワードゲイン調整部24a42のゲイン係
数Kf2 を所定値まで徐々に増加させ、フォワードゲイ
ン調整部24a41のゲイン係数Kf2 を0まで徐々に減
少させ、負帰還制御モードを変位から伸びに切り換える
が、このときモニタしているEs2 が略一定値を保持す
るようにポジションデータEp2 を調整することによ
り、試験片へのショックを避けるようにする。
【0026】以上概略説明した変位から伸びへの負帰還
制御モードの切り換え方法を、変位負帰還ループ241
中のCPU24b1 と伸び負帰還ループ242 中のCP
U24b2 とが予め定めた制御プログラムに従って行う
処理を示す図7及び図8のフローチャートを参照して詳
細に説明する。
【0027】図7のフローチャートでは、CPU24b
1 はモード切り換え動作の開始に応じ、その最初のステ
ップS11において、伸び負帰還ループ242 からステ
ップダウン指令があったか否かを判定し、この判定がY
ESのときにステップS12に進んでフォワードゲイン
調整部24a41のゲイン係数Kf1 を所定値ΔKf1
け減ずる。なお、この所定値ΔKf1 はKf1 をN等分
割率で0にする値であり、Kf1 /N=ΔKf1 であ
る。その後ステップS11に戻って、次のステップダウ
ン指令を待ち、ステップダウン指令があると上述の動作
を繰り返す。
【0028】一方、図8のフローチャートでは、CPU
24b2 はモード切り換え動作の開始に応じ、その最初
のステップS21において、センサデータEs2 を読み
込みこれを初期値Es20として保持する。その後ステッ
プS22に進み、ここで変位負帰還ループ241 のCP
U24b1 に宛ててステップダウン指令を送出し、次の
ステップS23においてフォワードゲイン調整部24a
42のゲイン係数Kf2を所定値ΔKf2 だけ増加する。
なお、この所定値ΔKf2 はKf2 をN等分割率で所定
値にする値であり、Kf2 /N=ΔKf2 である。続い
てステップS24に進み、ここでセンサデータEs2
値をモニタし、次のステップS25において、このモニ
タ値Es2 が上記初期値Es20に対して増加したか、減
少したか、或いは等しいかを判定する。すなわち、Es
20−Es2 =ΔEs2 が負か、正か、或いは0かを判定
する。
【0029】上記ステップS25の判定が増加であると
きには、ステップS26に進んで現在のポジションデー
タEp2 から所定値ΔEp2 減じた値を新たなポジショ
ンデータとして加算部24a12に供給してから上記ステ
ップS24に戻ってステップS24及びS25の動作を
繰り返す。これに対し、ステップS25の判定が減少の
ときには、ステップS27に進んでポジションデータE
2 に所定値ΔEp2を加えた値を新たなポジションデ
ータとして加算部24a12に供給してから上記ステップ
S24に戻ってステップS24及びS25の動作を繰り
返す。
【0030】なお、ステップS25の判定が等しいとき
には、ステップS28に進んでフォワードゲイン調整部
24a42のゲイン係数Kf2 が指定された値になったか
否かを判定し、この判定がNOのときには上記ステップ
S22に戻って上記ステップS22以降の動作を繰り返
し、ステップS28の判定がYESになってフォワード
ゲイン調整部24a42のゲイン係数Kf2 が指定された
値になったら負帰還制御モードの切り換え動作を終了す
る。このとき、変位負帰還ループ241 におけるフォワ
ードゲイン調整部24a41のゲイン係数Kf1 が0にな
っていて、負帰還制御モードが変位から伸びに完全き切
り換えられる。ところで、ステップS26、S27から
ステップS24に戻る速度は、制御が線型であるので、
系の安定条件で決められる。
【0031】以上のように制御モードの切り換えは、各
系の加算部の出力に設けたフォワードゲイン調整部のゲ
イン係数を所定量づつ増加又は減少し、そのときのセン
サ出力の変化を監視し、このセンサ出力が初期値を保持
するように加算部に加えるポジション信号の増減するこ
とを、フォワードゲイン調整部のゲイン係数が所定値に
なるまで自動的に繰り返し行っているので、油圧を掛け
たままで切り換え作業を行うことができる他、負帰還制
御ループの特性エラーにより異なる制御ループ間の切り
換えが精度よく行えると共に、面倒な操作を必要とする
ことなく、しかも試験片にダメージを与えることなく無
ショックでスムーズに実現できる。
【0032】また、上述したように、変位、伸び及び荷
重の負帰還ループ241 〜243 の出力を相互接続した
上でサーボ弁駆動アンプ25の入力に接続するようにし
ているので、図9に示すように、各負帰還ループ241
〜243 とサーボ弁駆動アンプ25を独立の回路基板上
にそれぞれ構成したとき、基板間を1本の信号線Lにて
相互接続することができ、構造が簡単になってコスト
面、構造面、信頼性の面で有利になる。また、負帰還ル
ープ241 〜243 とサーボ弁駆動アンプ25との間の
信号線が低インピーダンスになるため、耐ノイズ性に優
れたものにもなる。
【0033】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、制
御モード切り換え前と後に試験片に作用している変位、
伸び或いは荷重の大きさに変化がなく、油圧をかけたま
まで切り換え作業を行っても、試験片やその他に無用の
ショックを加えて支障を与えることがなく、しかも作業
を油圧をかけたままで自動的に行えるので、取り扱いが
容易で、モード切換を伴う試験に要する時間を短くする
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による電気油圧式材料試験装置の基本構
成を示す図である。
【図2】本発明による電気油圧式材料試験装置の全体構
成を示す図である。
【図3】図2中の変位負帰還ループの詳細を示す図であ
る。
【図4】図3中のDSPによって構成される負帰還ルー
プを示す図である。
【図5】図4のループを構成するよう図3のDSPが行
う処理を示すフローチャートである。
【図6】負帰還制御モードの切り換えの仕方を説明する
ための図である。
【図7】負帰還制御ループを切り換えるために行う図3
中のCPUが行う処理を示す一フローチャートである。
【図8】負帰還制御ループを切り換えるために行う図3
中のCPUが行う処理を示す他のフローチャートであ
る。
【図9】図2の構成により得られる利点を説明するため
の図である。
【図10】従来の装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
TP 試験片 7 アクチュエータ 8 サーボ弁 241 〜243 負帰還ループ手段(負帰還ループ) 24a1 負帰還加算手段(加算部) 24a2 信号ゲイン調整手段(信号ゲイン調整
部) 24a4 フォワードゲイン調整手段(フォワー
ドゲイン調整部) 24b 制御手段(CPU) 24b1 ポジション設定手段(ポジション設定
部) 25 サーボ弁駆動増幅手段(サーボ弁駆動
アンプ)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 3/00 - 3/62 JICSTファイル(JOIS)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1台の試験機により試験片を複数の負帰
    還制御モードで試験する電気油圧式材料試験装置におい
    て、 各々が各負帰還制御モードにそれぞれ対応して設けら
    れ、出力が相互接続された複数の負帰還ループ手段と、 該複数の負帰還ループ手段の出力の相互接続点と油圧ア
    クチュエータのサーボ弁との間に設けられたサーボ弁駆
    動増幅手段とを備え、 各負帰還ループ手段が、制御目標信号の他、各モードの
    負帰還信号がそれぞれ加えられる負帰還加算手段と、該
    負帰還加算手段にその出力信号を調整するように加えら
    れるポジション信号を設定するポジション設定手段と、
    前記負帰還加算手段の前段に設けられ負帰還加算手段に
    加えられる前記制御目標信号に対するゲインを調整する
    信号ゲイン調整手段と、前記負帰還加算手段の後段に設
    けられ負帰還加算手段の出力信号に対するゲインを調整
    するフォワードゲイン調整手段と、前記ポジション設定
    手段、信号ゲイン調整手段及びフォワードゲイン調整手
    段を制御する制御手段とを有し、 負帰還制御モードの切り換え時、前記制御手段が、切り
    換え前後の前記負帰還ループ手段の前記信号ゲイン調整
    手段のゲインを0にし、切り換え前の前記負帰還ループ
    手段の前記フォワードゲイン調整手段のゲインを0まで
    漸減させると共に切り換え後の前記負帰還ループ手段の
    前記フォワードゲイン調整手段のゲインを所定値まで漸
    増させ、このとき切り換え後の前記負帰還ループ手段の
    負帰還信号の大きさが一定値を保持するように、前記ポ
    ジション設定手段によりポジション信号を設定させるこ
    とを特徴とする電気油圧式材料試験装置。
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