JP3819620B2

JP3819620B2 - 材料試験機用制御装置

Info

Publication number: JP3819620B2
Application number: JP34498698A
Authority: JP
Inventors: 博宇野
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 1998-12-04
Filing date: 1998-12-04
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2018-12-04
Also published as: JP2000171365A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料試験機等をＰＩ（比例積分）制御する材料試験機用制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
材料試験機をフィードバック制御する材料試験機用制御装置が知られている。このような材料試験機用制御装置において、セラミックス、岩石等のように、試験試料（Ｔ．Ｐ：テストピース）の剛性が高く、かつ、材料試験機のピストン断面が小さい場合に、比例制御（Ｐ）項のゲインＫｐを上げると、一巡周波数伝達関数の位相角が１８０度となる周波数におけるゲイン余裕度が少なくなり、不安定な状態となったり発振を起こすことが知られている。
そのため、比例（Ｐ）制御のゲインＫｐを大きくすることができない。その結果、フィードバック系における誤差を零にする能力が小さく、定常偏差が大きい状態で制御を行うことになる。
このように、定常偏差が大きい状態で制御を行う場合の問題について一例を説明する。
【０００３】
図３は、従来の材料試験機用制御装置のブロック構成図である。図中、１は試験波発生部、２は比較部、４は材料試験機の一例としての繰り返し荷重試験機、５はサーボバルブ、６は油圧アクチュエータ、６ａはシリンダ、６ｂはピストン、７はロードセル、８は接触子、９はテストピース、１０は差動トランス、１１は変位センサ用アンプ、１２はＰ（比例）制御器、１９は荷重センサ用アンプである。
【０００４】
試験波発生部１は、変位Ｅｃ（ｔ）の目標値Ｅｉ（ｔ）を出力する波形発生器である。この目標値Ｅｉ（ｔ）は、比較部２において、変位センサ用アンプ１１から出力される変位Ｅｃ（ｔ）と比較されて、その差信号が誤差Ｅｅ（ｔ）としてＰ（比例）制御器１２に入力される。入力信号がゲインｋｐで増幅されたＰ制御器１２の出力は、繰り返し荷重試験機４のサーボバルブ５に入力され、サーボバルブ５は、油圧アクチュエータ６を駆動する。油圧アクチュエータ６は、シリンダ６ａおよびピストン６ｂを有し、ピストン６ｂは、ロードセル７および接触子８を介してテストピース９に荷重を加える。
【０００５】
差動トランス１０は、ピストン６ｂに連結されており、ピストン６ｂの変位量を計測する。接触子８がテストピース９を押圧している状態では、ピストン６ｂの変位量はテストピース９の変位量に等しい。荷重センサ用アンプ１９の出力による繰り返し荷重試験時の制御態様について、この図では省略している。繰り返し荷重試験時においては、試験波発生部１から、加重Ｌｏａｄの振動波形を目標値として出力し、荷重センサ用アンプ１９の出力と比較器２において比較して、荷重フィードバック制御を行う。ここでは、接触子８をテストピース９に接触させて所定の圧力をかけるまでの間に行う変位速度一定制御について説明する。なお、変位センサ用アンプ１１および荷重センサ用アンプ１９の出力は、図示しないＡ／Ｄ変換器によりディジタルデータに変換されている。
【０００６】
図４は、図３に示した従来の材料試験機用制御装置におけるピストン６ｂとテストピース９との位置関係を示す説明図である。図４（ａ）は接触子８がテストピース９から離れている状態の説明図、図４（ｂ）は接触子８がテストピース９に接触している状態の説明図である。図中、図３と同様な部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【０００７】
テストピース９を繰り返し荷重試験機４に取り付ける際には、図４（ａ）に示すように、接触子８はテストピース９から離された状態にある。試験波発生部１から変位速度を一定とした目標値Ｅｉ（ｔ）となる波形を出力し、Ｐ制御器１２により増幅し、油圧アクチュエータ６を駆動し、ピストン６ｂを下方向（図３においては、上方向）に変位させることにより、図４（ｂ）に示すように、接触子８をテストピース９に接触させ、以後、荷重Ｌｏａｄが初期目標値になるまで変位の目標値Ｅｉ（ｔ）を定速度で増加させて変位フィードバックを行い、繰り返し荷重試験の初期状態としている。
【０００８】
図５は、図３に示した従来の材料試験機用制御装置の動作を説明するための線図である。図５（ａ）は目標値Ｅｉ（ｔ）を示す線図、図５（ｂ）は変位Ｅｃ（ｔ）を示す線図、図５（ｃ）は荷重Ｌｏａｄ（ｔ）を示す線図である。
【０００９】
上述したように、従来は、Ｐ制御のゲインＫｐが大きくないので、定常偏差が大きい状態で制御が行われている。したがって、図５（ａ）に示すように、目標値Ｅｉ（ｔ）に対して、変位センサ用アンプ１１から出力される変位Ｅｃ（ｔ）がわずかに小さくなっている。接触子８がテストピース９に接触する以前では、誤差Ｅｅ（ｔ）に表れる定常偏差は、さほど大きくない。しかし、接触子８がテストピース９に接触すると、Ｐ制御のゲインＫｐが不足しているので、テストピース９の高剛性により誤差Ｅｅ（ｔ）が大きくなってしまう。その結果、変位センサ用アンプ１１から出力される変位Ｅｃ（ｔ）の勾配が接触時点で急に小さくなってしまうという問題があった。そのため、変位速度一定で制御することができなかった。
【００１０】
一般に、このようなＰ制御のゲインＫｐを補償するために、積分（Ｉ）制御を加えたＰＩ制御を行うことが知られている。なお、付加的な補償用に微分制御を加えたＰＩＤ制御を行うことも知られているが、このＰＩＤ制御は、実質的にＰＩ制御である。ＰＩ制御においては、Ｉ制御により誤差Ｅｅ（ｔ）を積分してフィードバックさせることにより、誤差Ｅｅ（ｔ）を零にする。言い換えれば、定常偏差のような、直流ないし直流近傍の低周波信号のゲインを大きくしてフィードバック制御することにより、定常偏差をなくそうとするものである。
【００１１】
ところが、コンピュータが直接に制御装置として機能するＤＤＣ（ＤｉｒｅｃｔＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｔｒｏｌ）など、ソフトウエアによるサーボにおいては、アナログ方式とは異なり、積分制御要素は、直流または直流近傍の周波数信号に対してゲインが無限大になるという理想的な特性を示す。そのために、定常偏差を零に集束させることが容易である。その反面、油圧サーボループ系が確立していない運転開始時の初期状態では、収束すべき目標値がないため、積分制御要素の出力が正または負の無限大に発散する方向に変化して出力が飽和してしまうという問題がある。したがって、上述したような繰り返し荷重試験装置において、単純にＰＩ制御を行うことができず、図５（ａ），図５（ｂ）を参照して説明したような定常偏差の影響をなくすことができなかった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたもので、異常動作を起こすことなく、フィードバックループ系に積分制御要素を挿入して定常偏差をなくすことができる材料試験機用制御装置を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明においては、材料試験機のセンサから出力されるフィードバック値と目標値との誤差に基づいて制御要素が前記材料試験機のアクチュエータの操作量を出力する材料試験機用制御装置において、前記制御要素の機能を切り換える機能切替手段を有し、前記機能切替手段は、前記制御要素を比例制御要素とした状態でフィードバック制御を行なわせ、フィードバック系が確立した後に、前記制御要素に積分制御要素を挿入すると同時に、前記制御要素に積分制御要素を挿入する直前の誤差の値だけ前記目標値を低下させたものを新たな目標値にするとともに、前記積分制御要素を挿入する直前の前記制御要素の出力値を前記制御要素の出力に加算した値を前記制御要素の新たな出力とさせるものである。
したがって、異常動作を起こすことなく、フィードバックループ系に積分制御要素を挿入して定常偏差をなくすことができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明においては、請求項１に記載の材料試験機用制御装置において、第１および第２の記憶手段を有し、前記制御要素を比例制御要素とした状態においては、前記第１の記憶手段が前記誤差の値を、前記第２の記憶手段が前記制御要素の出力の値を記憶しており、前記機能切替手段により前記制御要素に積分要素が挿入されるときには、前記第１の記憶手段から読み出された値だけ前記目標値を低下させた値を新たな目標値にするとともに、前記第２の記憶手段から読み出された値を前記制御要素の出力に加算して前記制御要素の新たな出力とするものである。
したがって、前記積分制御要素を挿入する際に、制御要素の出力が大きく変化しないようにするための、補償値を容易に得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の材料試験機用制御装置の実施の一形態のブロック構成図である。図中、図３と同様な部分には同じ符号を付して説明を省略する。３は制御要素、１３は切替器、１４はＩ（積分）制御器、１５は切替器、１６は加算器、１７，１８はメモリである。
【００１６】
比較部２から出力される誤差Ｅｅ（ｔ）は、制御要素３に入力される。制御要素３においては、Ｐ（比例）制御器１２の出力が切替器１３の入力となる。切替器１３の一方の出力は切替器１５の一方の入力になり、切替器１３の他方の出力は、Ｉ制御器１４の入力となる。Ｉ制御器１４の出力は、切替器１５の他方の入力となる。切替器１５の出力は加算器１６に供給され、ここで、後述するメモリ１７の出力と加算されて制御要素３の出力となり、繰り返し荷重試験機４のサーボバルブ５に入力される。
【００１７】
メモリ１７は、切替器１３，１５の切り替え前においては、制御要素３の出力Ｅｓ（ｔ）を、逐次書き込んで記憶し、切り替え後には、最後に記憶した値を読み出して加算器１６に出力する。変位センサ用アンプ１１の出力は、比較器２に出力される。メモリ１８は、切替器１３，１５の切り替え前においては、比較器２の出力である誤差Ｅｅ（ｔ）を、逐次書き込んで記憶し、切り替え後には、最後に記憶した値を読み出して試験波発生部１に出力することにより、目標値Ｅｉ（ｔ）を制御する。切替器１３，１５の各切替およびメモリ１７，１８の書込および読出の機能切替は、連動して短時間に行われる。
【００１８】
油圧投入時には、Ｐ制御を行うため、切替器１３を切替器１５に直結させ、Ｐ制御器１２の出力を制御要素３の出力とし、Ｉ制御器１４は外しておく。メモリ１７は制御要素３の出力Ｅｓ（ｔ）、すなわち、Ｐ制御器１２の出力を書き込む動作を行い、メモリ１８は比較器２の出力、すなわち、誤差Ｅｅ（ｔ）の出力を書き込む動作を行う。各メモリ１７，１８の書込動作は、所定の処理タイミングごとに行われ、書き込みがなされるごとに前の書き込みデータが消去される。すなわち、最新の値に更新される。なお、各メモリ１７，１８からは、何も読み出されないか、あるいは、零値が読み出される。
【００１９】
時刻ｔ₀において、切替器１３，１５を切替制御したときには、切替器１３の出力をＩ制御器１４に出力し、Ｉ制御器１４の出力を切替器１５を介して加算器１６に出力して、制御要素３の出力とする。メモリ１７は、切り替え直前の制御要素３の最新の出力データＥｓ（ｔ₀）を読み出して加算器１６に出力する。また、メモリ１８は、切り替え直前の比較器２の誤差Ｅｅ（ｔ₀）を読み出して試験波発生部１に出力する。各メモリ１７，１８の読み出し出力は、切り替え後においてもそのまま保持される。
【００２０】
上述したように、油圧が投入された後に、油圧サーボ系が構成されるに十分な所定時間が経過してサーボ系が構成された後の時刻ｔ₀において、切替器１３，１５を切り換えてＩ制御器１４を挿入する。このようにして、制御要素３の出力が発散しないようにする。しかし、単純にＩ制御器１４を挿入するだけでは、挿入時に、アクチュエータ６のピストン６ｂが急に移動するという、材料試験機として好まくない挙動をするという問題がある。
【００２１】
図２は、本発明の材料試験機用制御装置の実施の一形態の動作を説明するための線図である。図２（ａ）は目標値Ｅｉ（ｔ）を示す線図、図２（ｂ）は制御要素の出力Ｅｓ（ｔ）を示す線図、図２（ｃ）は変位Ｅｃ（ｔ）を示す線図、図２（ｄ）は荷重Ｌｏａｄ（ｔ）を示す線図である。
図２（ａ）に示すように、油圧投入開始時（ｔ＝０）以降、変位の目標値Ｅｉ（ｔ）を直線的に増加させることにより、変位速度一定のＰ制御を行う。この間、変位センサ用アンプ１１から出力される現在の変位量Ｅｃ（ｔ）は、理想的にはこの目標値よりもわずかに下回った値で増加する。Ｐ制御であるため、目標値Ｅｉ（ｔ）との定常偏差は小さいが無視できない量である。油圧投入後、ゲインＫｐが小さなＰ制御が行われて閉ループが構成されている。この間、ループ全体が比例制御系として平衡がとれていても、誤差Ｅｅ（ｔ）として零でない偏差が存在している。
【００２２】
この状態で、時間ｔ₀において、切替器１３，１５を切り換えることにより、Ｐ制御器１２の後段にＩ制御器１４を挿入すると、零でない誤差Ｅｅ（ｔ₀）が積分される。その結果、変位センサ用アンプ１１の出力Ｅｃ（ｔ）を大きくする方向に制御される。そして、平衡がとれた時点になって誤差Ｅｅ（ｔ）＝０となる。これは、Ｉ制御器１４を挿入したときに、誤差Ｅｅ（ｔ₀）に応じてアクチュエータ６のピストン６ｂが急に移動することを意味する。
【００２３】
そのために、切替器１３，１５の切り替え時に、Ｉ制御器１４の入力を零にする。誤差Ｅｅ（ｔ）＝０にしてやれば、Ｐ制御器１２が零をＫｐ倍してもＩ制御器１４の入力は零であり、Ｉ制御器１４の出力も変化しない。誤差Ｅｅ（ｔ）＝０にするために、変位センサ用アンプ１１の出力Ｅｃ（ｔ）をそのままにしておき、目標値Ｅｉ（ｔ）を制御する。すなわち、Ｅｅ（ｔ）＝Ｅｉ（ｔ）−Ｅｃ（ｔ）であるから、Ｅｅ（ｔ）を零とするには、試験波発生部１において、目標値Ｅｉ（ｔ）（次式左辺のＥｉ（ｔ））を、切り替え前のＥｉ（ｔ）（次式右辺のＥｉ（ｔ））に対し、
Ｅｉ（ｔ）＝Ｅｉ（ｔ）−Ｅｅ（ｔ₀）
として、比較器２に出力すればよい。すなわち、これまでの目標値Ｅｉ（ｔ）を直流分Ｅｅ（ｔ₀）だけ、直流シフトしてやればよい。
図１においては、この動作を実現するために、メモリ１８が、切り替え前において、誤差Ｅｅ（ｔ）の値を逐次書き込み、切り替え時にこれを読み出して、切り替え直前の誤差Ｅｅ（ｔ₀）の値を試験波発生部１に出力して、試験波発生部１から直流シフトさせた目標値Ｅｉ（ｔ）を出力している。
これに代えて、試験波発生部１はそのままに、試験波発生部１の出力を、図示しない減算器を通して目標値Ｅｉ（ｔ）とし、これを比較部２に出力してもよい。この減算器は、切り替え前においては試験波発生部１の出力をそのまま出力するが、切り替え後においては、メモリ１８の出力Ｅｅ（ｔ_o）を減算して出力する。
【００２４】
Ｉ制御器１４の入力側の問題点については、上述した処理により解決する。しかし、図２（ｂ）に示すように、制御要素の出力Ｅｓ（ｔ）についてみると、Ｉ制御器１４の出力の初期値は零である。そのため、Ｉ制御器１４を挿入する直前に制御要素３の出力Ｅｓ（ｔ₀）に存在していた、Ｅｓ（ｔ₀）＝Ｋｐ・Ｅｅ（ｔ₀）については、Ｉ制御器１４を挿入することにより零になってしまう。
制御要素の出力Ｅｓ（ｔ）がサーボバルブ５に加わることにより、フィードバックループ系のバランスがとれていたのであるから、切替器１３，１５の切り替え後においてもこの値を維持しなければ、油圧アクチュエータ６のピストン６ｂが急に大きく動いてしまう。
そのため、切替器１３，１５の切り替え前において、メモリ１７は、Ｐ制御器の出力でもある、制御要素３の出力Ｅｓ（ｔ）＝Ｋｐ・Ｅｅ（ｔ）を逐次書き込み、切り替え時にこれを読み出して、切り替え直前のＥｓ（ｔ₀）＝Ｋｐ・Ｅｅ（ｔ₀）を、加算器１６に出力している。その結果、制御要素３の出力は、切替器１３，１５の切り替え時点ｔ₀においても、大きく変化しないようにすることができる。その結果、Ｉ制御器１４がショックなくスムーズに挿入できることとなる。
【００２５】
なお、Ｉ制御器１４内において、積分定数項の設定を行う場合には、加算器１６に代えて、メモリ１７の出力値をＩ制御器１４の積分定数項とするように制御してもよい。また、上述した説明では、油圧投入開始時から目標値を一定勾配で増加させたが、最初は、目標値を０にしておいて油圧を投入してサーボ系が構成されるまで目標値を０にしておいてもよい。
【００２６】
上述したように、異常動作を起こすことなく、フィードバックループ系にＩ制御器１４を挿入できるようになった結果、接触子８がテストピース９に接触した時点の前後においても、変位速度が一定に保たれ、繰り返し試験の初期状態になるまで、理想的にピストン６ｂおよび接触子７を定速で移動させることができるようになる。
上述した説明では、繰り返し試験の初期状態になるまでの変位速度を一定に制御するときについて説明した。しかし、その後に行われる、繰り返し試験時に試験波発生部１から周期波形を出力して荷重の目標値とし、荷重フィードバック制御を行う際にも、Ｉ制御器１４が挿入されているため、目標値との誤差を零にすることが可能となり、制御の精度が向上する。
また、一般に、フィードバックループ系を構成して材料試験機を制御する材料試験機用制御装置において、異常動作を起こすことなく定常偏差を零にすることができる。その結果、定常偏差が零とならないことに由来する、制御精度の低下の他、種々の問題を解決することができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は、上述した説明から明らかなように、異常動作を起こすことなく、フィードバックループ系に積分制御要素を挿入して定常偏差をなくすことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の材料試験機用制御装置の実施の一形態のブロック構成図である。
【図２】本発明の材料試験機用制御装置の実施の一形態の動作を説明するための線図である。
【図３】従来の材料試験機用制御装置のブロック構成図である。
【図４】図３に示した従来の材料試験機用制御装置におけるピストン６ｂとテストピース９との位置関係を示す説明図である。
【図５】図３に示した従来の材料試験機用制御装置の動作を説明するための線図である。
【符号の説明】
１試験波発生部、２比較部、３制御要素、４繰り返し荷重試験機、５サーボバルブ、６油圧アクチュエータ、７ロードセル、８接触子、９テストピース、１０差動トランス、１１変位センサ用アンプ、１２Ｐ制御器、１３，１５切替器、１４Ｉ制御器、１６加算器、１７，１８メモリ、１９荷重センサ用アンプ

Claims

材料試験機のセンサから出力されるフィードバック値と目標値との誤差に基づいて制御要素が前記材料試験機のアクチュエータの操作量を出力する材料試験機用制御装置において、
前記制御要素の機能を切り換える機能切替手段を有し、
前記機能切替手段は、前記制御要素を比例制御要素とした状態でフィードバック制御を行なわせ、
フィードバック系が確立した後に、前記制御要素に積分制御要素を挿入すると同時に、
前記制御要素に積分制御要素を挿入する直前の誤差の値だけ前記目標値を低下させたものを新たな目標値にするとともに、
前記積分制御要素を挿入する直前の前記制御要素の出力値を前記制御要素の出力に加算した値を前記制御要素の新たな出力とさせる、
ことを特徴とする材料試験機用制御装置。
第１および第２の記憶手段を有し、
前記制御要素を比例制御要素とした状態においては、前記第１の記憶手段が前記誤差の値を、前記第２の記憶手段が前記制御要素の出力の値を記憶しており、前記機能切替手段により前記制御要素に積分要素が挿入されるときには、前記第１の記憶手段から読み出された値だけ前記目標値を低下させた値を新たな目標値にするとともに、前記第２の記憶手段から読み出された値を前記制御要素の出力に加算して前記制御要素の新たな出力とすることを特徴とする請求項１に記載の材料試験機用制御装置。