JP3570056B2 - 材料試験機 - Google Patents
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Description
【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17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16b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23,25,27、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19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213、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40は、供試体SPの荷重を検出するためのロードセル17、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AGC回路212の動作を説明する。
通常、AGC回路212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ra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α1,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α2,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ea,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α2,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)
- 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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