KR100500811B1 - 유압서보식 재료시험기 - Google Patents

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Abstract

유압구동형 부하기구를 제어하기 위한 피드백 루프내의 조절부는, 비례 동작 및 미분 동작을 실행하기 위한 2개 부분으로 구성된다. 중량은, 이들 2개 부분으로 독립적으로 공급된다. 그러므로, 출력 y는 목표치 r의 급격한 변화에 대해 오버슈트의 발생없이 신속한 응답으로 추종하게 되어, 외란 입력 w의 영향이 최대한 경감된다. 또한, 적분동작이 조절부에서 실행되지 않으므로, 1/s2의 항이 입출력의 전달함수에 포함되지 않음으로써, 제어의 안정화를 실현한다.

Description

유압서보식 재료시험기{Hydraulic servo type material testing apparatus}
본 발명은 유압서보식 재료시험기에 관한 것이다.
유압서보식 재료시험기에서는, 일반적으로, 시험편에 부하를 주기 위한 부하기구는 유압 액츄에이터로 구동되었다. 제어변수로서 선택된 물리적인 값에 관한 목표치는, 파형 발생장치 등에서 공급된다. 이와 동시에, 목표치에 따른 부하는, 제어변수로서의 검출치를 피드백함으로써 시험편으로 공급된다. 예컨대, 제어변수로 선택되는 물리적인 값은, 부하기구의 변위 또는 그 변위의 결과 시험편으로 인가된 부하 등이다.
이와 같은 피드백 루프를 구비한 유압서보식 재료시험기에서는, 종래, 조작변수를 얻기 위해 검출치를 목표치로 피드백함으로써 얻어지는 편차가 비례-적분-미분(PID) 연산되는, 소위 PID 제어가 행해지고 있다. 그 제어시스템의 구성예를 나타내기 위해, 도 3에 도시된 같이, 부하기구의 변위나 시험편으로 인가된 부하 등과 같은 제어변수 z로서 선택된 물리량을 검출함으로써 얻어지는 검출치(관측량)가 파형발생기(31) 등에서 출력된 목표치 r로 피드백되도록 배치되어 있다. 그 후, 그 편차 e는 PID 조절기(33)로 도입되어 비례-적분-미분 연산을 실행함으로써, 서보 밸브(34)의 밸브 개통(opening)을 변화시키기 위해 조작변수 u를 얻어, 부하기구용 유압 액츄에이터(35)의 구동을 제어한다. w는 외란을 나타내고 있다. 특히, 유압의 변동이나 유압 액츄에이터의 실(seal)부의 마찰 등이 외란으로서 생각될 수 있다.
이 제어시스템은, 도 4의 블록도에 보다 상세히 도시되어 있다.
도 4에 있어서, 1은 비례요소, Kp는 비례 게인(gain), TI는 적분 시간, 1/s는 적분 요소, TD는 미분 시간, D(s)는 미분 요소, P(s)는 제어대상의 전달 특성을 나타내고 있다.
그런데, 상술한 PID 제어를 채용한 종래의 유압서보식 재료시험기에서는, 목표치 응답과 외란 응답의 쌍방을 최적화하는 것이 곤란하다는 문제가 있다.
즉, 도 5의 (A)에 도시된 바와 같이, 목표치에 대한 응답이 최적화된 조정이 행해지면, 도 5의 (B)에 도시된 바와 같이, 외란에 대한 응답이 커지게 된다. 한편, 도 6의 (B)에 도시된 바와 같이, 외란에 대한 응답이 작아지도록 최적의 조정이 행해지면, 도 6의 (B)에 도시된 바와 같이, 목표치에 대한 응답이 불규칙하게 커지제 된다.
또한, PID 제어를 채용한 종래의 유압서보식 재료시험기에서는, 제어대상인 유압구동계의 전달특성 P(s)에는 적분 요소 1/s는 물론 조절부의 적분 요소 1/s까지 포함되어 있다. 그러므로, 1/s2의 항이 입출력의 전달함수에 포함되어 있다. 따라서, 제어가 불안정해지고, 극단적인 경우에는 난조(亂調)(hunting)의 발생 가능성이 있다는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 사정을 고려하여 궁리된 것으로서, 그 목적은 목표치 응답 및 외란 응답의 쌍방을 최적화 및 제어의 안정화를 행할 수 있는 유압서보식 재료시험기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의하면, 재료로 부하를 인가하는 유압구동형의 부하기구를 제어하기 위한 피드백 루프를 구비하고, 상기 피드백 루프내의 조절부를 포함하며, 상기 조절부는 목표치에 대해서 비례 동작과 미분 동작을 실행하는 제1 부분과 검출치에 대해서 비례 동작과 미분 동작을 실행하는 제2 부분을 구비하는 유압서보식 재료시험기가 제공되고 있다.
유압서보식 재료시험기에서는, 제1 및 제2 부분의 비례 동작 및 미분 동작에 대한 파라미터는 독립적으로 설정되는 것이 바람직하다.
또, 상기 파라미터는 제1 부분으로 인가되는 중량과 제2 부분으로 인가되는 중량인 것이 바람직하다.
본 발명에서는, 피드백 루프내에서 조절부의 제1 및 제2 부분 양쪽이 비례 동작 및 미분 동작을 실행한다는 사실은, 조절부의 제1 및 제2 부분에서 비례 요소와 미분 요소가 기능한다는 것을 의미한다. 따라서, 적분 요소에 대해서는, 본 발명은 적분 요소가 조절부에 존재하지 않는 구성과, 적분 요소가 존재하고 있어도 실질적으로 기능하지 않을 정도로 적분 시간이 길게 설정되어 있는 구성을 모두 포함한다.
본 발명에서는, 피드백 루프내의 조절부가 비례 동작 및 미분 동작을 실행하고, 적분 동작은 실행하지 않는다. 즉, 실질적으로 PD 제어를 채용함으로써, 1/s2의 항이 시스템의 입출력의 전달함수에서 제거된다. 이와 동시에, 조절부는 목표치에 대해서 동작하는 제1 부분과 검출치에 대해서 동작하는 제2 부분으로 구성된다.
제1 및 제2 부분의 비례 동작과 미분 동작에 대한 파라미터를 독립적으로 설정, 특히 제1 및 제2 부분에 대해 중량을 독립적으로 인가함으로써, 목표치 응답과 외란 응답의 쌍방의 최적화 조정이 실현되고 있다.
즉, 유압서보식 재료시험기에서는, 1/s가 제어대상인 유압구동 부하기구의 전달특성에 포함되어 있으므로, 적분 요소 1/s가 조절부에서 기능하게 되면, 1/s2의 항이 입출력의 전달함수에 포함되게 된다. 그러나, 본 발명에서는, 적분 요소가 조절부에서 기능하지 않으므로, 1/s2의 항이 입출력의 전달함수에 포함되지 않게 되어, 제어의 불안정 요인을 제거할 수 있다.
또한, 목표치에 대해서 동작하는 제1 부분과 검출치에 대해서 동작하는 제2 부분이 조절부에서 개별적으로 설치되고, 임의의 파라미터 특히 중량이 각각 이들 부분으로 인가되고 있다. 제1 부분에 대한 중량이 작으면 작을수록, 목표치의 입력에서 급격한 변화가 발생하더라도 출력에서의 급격한 변화가 억제될 수 있어, 오버슈트(overshoot)의 발생을 억제할 수 있다. 그렇지만, 출력의 상승이 지연되게 된다. 한편, 제1 및 제2 부분 양쪽으로 동등하게 인가되는 비례 게인이 커지게 되면, 피드백이 강화되어 외란이 보다 강하게 제어된다. 그러나, 비례 게인이 과도하게 커지게 되면, 시스템이 진동적으로 되어 불안정하게 된다.
이들 원인 때문에, 미리 시뮬레이션을 실행함으로써, 조절부의 2개 부분중에서 목표치에 대해서 동작하는 제1 부분으로 인가되는 중량과 비례 게인의 값이 적절하게 조절되어, 외란을 제어하기 위한 값이 급격한 변화가 출력에 발생되지 않고 시스템이 진동적으로 되지 않는 상태로 정해져 설정된다. 그것에 의해, 외란을 강력하게 억제할 수 있고, 급격한 변화가 출력에 발생되지 않는 제어시스템을 실현할 수 있다. 그 결과, 도 5의 (A)에 도시된 목표치 응답과 도 6의 (B)에 도시된 외란 응답을 동시에 얻을 수 있는 제어시스템을 얻는 것이 가능하다.
이제, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 장치 구성도이고, 도 2는 그 제어시스템의 상세 구성을 나타내는 블록도이다.
시험기 본체(1)는, 2개의 컬럼(12a, 12b)이 테이블(11)상에 설치되고, 크로스 요크(13)의 양단부가 그 컬럼(12a, 12b)에 의해 지지된 구조를 가지고 있다.
서보 밸브(2)를 통해서 공급된 압력 오일에 의해 동작되는 유압실린더가 액츄에이터로서 사용되는 부하기구(14)는 테이블(11)상에 설치되어 있다. 하부 그리퍼(15a)는 이 부하기구(14)상에 설비되어 있고, 상부 그리퍼(15b)는 로드 셀(3)을 통해서 상술한 크로스 요크(13)에 설비되어 있다. 시험편(TP)은, 상부 및 하부 그리퍼(15a, 15b)에 의해 그 양단부가 붙잡힌 상태로 시험에 사용되고 있다.
즉, 상부 및 하부 그리퍼(15a, 15b)에 의해 양단부가 붙잡힌 시험편(TP)에 관해서는, 부하기구(14)의 구동에 의해 부하가 인가되고, 시험편(TP)으로 인가된 부하는 로드 셀(3)에 의해 검출되며, 부하기구(14)의 변위는 변위계(4)에 의해 검출된다.
로드 셀(3) 및 변위계(4)에 의해 각각 검출된 부하 및 변위의 검출신호는, 제어장치(5)로 연속적으로 입력된다. 제어장치(5)는, 로드 셀(3) 및 변위계(4)의 연속적인 출력을 시험데이터로서 저장한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제어장치(5)는 목표치 r을 출력하는 파형발생기(51)와, 조절부(52)를 포함한다. 로드 셀(3)에 의해 검출된 부하와 같은, 제어변수 z로서 선택된 물리량을 나타내는 검출신호는,검출치(관측변수) y로서 설정되고 조절부(52)로 도입되는 피드백 루프를 구축한다. 그 후, 제어대상(53)으로 공급되는 조작변수 u가 생성된다.
이 제어시스템의 특징은, 조절부(52)가 목표치 r에 대해서 동작하는 제1 조절부(52a)와, 검출치 y에 대해서 동작하는 제2 조절부(52b)로 형성되고, 임의의 중량 (1-α)이 제1 조절부(52a)의 비례 요소로 인가될 수 있고, 또 임의의 중량 (1-β)이 제1 조절부(52a)의 미분 요소에도 인가될 수 있는 것에 있다. 이들 2개의 조절부(52a, 52b)는, 종래의 PD 조절기에 포함되어 있는 것과 같은 파라미터인 비례 게인 Kp 및 미분 시간 TD를 포함한다. 상술한 4개의 파라미터는 임의로 설정되어 인가될 수 있는 구조이므로, 목표치 r에 대한 비례 동작 및 미분 동작은 물론 검출치 y에 대한 비례 동작 및 미분 동작에 관한 모든 크기를 독립적으로 설정할 수 있다. 그 결과, 후술하는 바와 같이, 목표치 응답과 외란 응답의 쌍방을 최적으로 설정할 수 있는 조작상의 장점이 제공되고 있다.
상술한 실시형태에서는, 조절부(52)를 구성하는 제1 및 제2 조절부(52a, 52b) 양쪽이 적분 동작을 실행하지 않으므로, 전체 시스템의 입출력 전달함수에 포함되는 적분 요소에 관한 항은, 제어대상인 유압구동 부하기구(14)에 포함되는 적분 요소 1/s의 항뿐이다. 그러므로, 종래의 유압서보식 재료시험기에 포함되어 있는 1/s2의 항은 본 발명의 유압서보식 재료시험기에는 포함되어 있지 않다. 따라서, 제어의 불안정을 제거할 수 있다.
또한, 상술한 실시형태에서는, 목표치 r에 대해서 동작하는 제1 조절부(52a)에서의 파라미터 α 및 β가 커지게 되면, 즉 목표치 r에 대한 비례 요소 및 미분 요소의 중량이 작아지게 되면, 상승은 지연되지만 목표치 r의 급격한 변화시 출력 y의 급격한 변화가 작아지게 되어 오버슈트의 발생을 억제할 수 있다. 한편, 전체의 요소에 동등하게 적용되는 비례 게인 Kp가 커지게 되면, 외란을 보다 강력하게 억제할 수 있지만, 과도하게 커지게 되면 시스템이 진동적으로 되어 불안정하게 된다. 따라서, 미리 시뮬레이션을 행하는 것에 의해, 상승 지연이 작고 오버슈트가 발생하지 않는 범위와 시스템이 진동적으로 되지 않는 범위에서 외란의 억제력이 최강이 되는 파라미터의 조합이 결정되고 있다. 조절부(52)의 설정은 이들 값을 이용해서 실행된다. 그 결과, 도 5의 (A)에 도시된 최적의 상태로 목표치 응답을 얻는 것이 가능하다.
더구나, 목표치 응답이 도 5의 (A)에 도시된 최적의 상태로 조정된 상태에 있어서, 외란 입력 w의 영향을 억제할 수 있다. 외란 응답에 대해서도 도 6의 (B)에 도시된 최적의 상태로 할 수 있다.
도 2에 도시된 블록도에서는, 각 부분의 기능을 나타내는 블록의 집합으로 표현되어 있지만, 이들 기능을 달성하기 위한 회로 구성은, 각 블록에 대응하는 아날로그 회로가 설치되거나 혹은 컴퓨터를 이용하여 각 블록의 기능을 실행하는 소프트웨어가 설치되도록 구성되는 것은 말할 필요도 없는 것에 주의하여야 한다.
또한, 상술한 설명에서 도 2에 도시된 블록도는, 2 자유도 제어시스템의 일반적인 수식 모델로 표현되어 있지만, 이 블록도는 피드포워드(feedforward) 모델, 루프 보상(loop compensation) 모델, 피드백(feedback) 보상모델, 목표치 필터모델 또는 요소 분리모델이라도 등가적으로 표현될 수 있다. 그 표현 방법의 차이는 본 발명의 요지에는 관계없는 것은 물론이다. 본 발명은, 유압서보식 재료시험기에 적용할 수 있는 2 자유도 PD 제어를 채용하는 모든 모델을 포함한다.
또한, 도 2에 도시된 조절부에서는, 임의의 중량 (1-α)와 임의의 중량 (1-β)가 제1 조절부(52a)의 비례 요소 및 미분 요소에 인가되지만, 이들 임의의 중량은 제2 조절부(52b)의 비례 요소 및 미분 요소에도 인가될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 유압서보식 재료시험기의 조절부는, 비례 동작과 미분 동작을 실행하고 적분 동작을 실행하지 않는 2개 부분을 포함한다. 2개 부분은, 목표치 및 검출치에 대해서 각각 개별적으로 동작을 실행한다. 이들 2개 부분으로 독립적으로 중량이 인가된다. 그러므로, 적분 요소의 1/s의 항이 제어시스템인 유압구동형의 부하기구 자체의 전달함수에 포함되어 있더라도, 1/s2의 항은 종래기술과 달리 입출력의 전달함수에 포함되지 않으므로, 제어의 불안정성을 제거할 수 있다. 이와 동시에, 중량을 적절히 설정함으로써, 목표치 입력의 급격한 변화에 대해서 상승이 급격하고 오버슈트가 없는 출력을 얻을 수 있고, 외란 입력에 대해서는 억제력이 우수한 제어를 제공할수 있다. 그러므로, 목표치 응답과 외란 응답의 쌍방을 최대화 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 제어시스템의 상세 구성을 나타내는 블록도,
도 3은 종래 유압서보식 재료시험기의 제어시스템의 구성예를 나타내는 블록도,
도 4는 도 3에 도시된 제어시스템의 상세를 나타내는 블록도,
도 5의 (A)는 종래 PID 제어를 채용한 유압서보식 재료시험기에서, 목표치 응답이 최적화된 조정시의 목표치 응답을 나타내는 그래프,
도 5의 (B)는 종래 PID 제어를 채용한 유압서보식 재료시험기에서, 목표치 응답이 최적화된 조정시의 외란 응답을 나타내는 그래프,
도 6의 (A)는 마찬가지로 종래의 PID 제어를 채용한 유압서보식 재료시험기에서, 목표치 응답이 최적화된 조정시의 목표치 응답을 나타내는 그래프,
도 6의 (B)는 마찬가지로 종래의 PID 제어를 채용한 유압서보식 재료시험기에서, 목표치 응답이 최적화된 조정시의 외란 응답을 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 시험기 본체, 11 테이블,
12a, 12b 컬럼, 13 크로스 요크,
14 부하기구, 15a, 15b 그리퍼,
2 서보 밸브, 3 로드 셀,
4 변위계, 5 제어장치,
51 파형발생기, 52 조절부,
52a 제1 조절부 52b 제2 조절부,
53 제어대상, TP 시험편.

Claims (9)

  1. 재료에 부하를 인가하는 유압구동형의 부하기구를 제어하기 위한 피드백 루프를 구비하는 유압서보식(hydraulic servo-type) 재료시험기로서,
    상기 피드백 루프내의 조절부는, 목표치에 대해서 비례 동작(proportional action)과 미분 동작(derivative action)을 실행하는 제1 부분과, 검출치에 대해서 비례 동작과 미분 동작을 실행하는 제2 부분을 구비하는, 유압서보식 재료시험기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 부분 및 제2 부분의 상기 비례 동작들과 미분 동작들을 위한 파라미터들이 독립적으로 설정되는, 유압서보식 재료시험기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 파라미터들은 상기 제1 부분에 인가되는 중량과 제2 부분에 인가되는 중량인, 유압서보식 재료시험기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 파라미터들은, 제1 부분 및 제2 부분의 상기 비례 동작들을 위한 비례 게인 및 상기 미분 동작들을 위한 미분 시간과, 상기 제1 부분의 상기 비례동작에 인가되는 중량과 상기 미분 동작에 인가되는 중량인, 유압서보식 재료시험기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 부분의 출력은 상기 제1 부분의 출력으로 도입되는, 유압서보식 재료시험기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 조절부는, 상기 제1 부분의 출력을 상기 제2 부분의 출력과 비교하여 그로부터 조작변수를 생성하는 비교기를 더 포함하고, 상기 조작변수는 상기 유압서보식 재료시험기를 제어하는 데 사용되는, 유압서보식 재료시험기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 부분과 제2 부분의 상기 비례 동작들과 미분 동작들을 위한 파라미터들이 독립적으로 설정되는, 유압서보식 재료시험기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 파라미터들은 상기 제1 부분에 인가되는 중량과 제2 부분에 인가되는 중량인, 유압서보식 재료시험기.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 파라미터들은, 제1 부분 및 제2 부분의 상기 비례 동작들을 위한 비례 게인 및 상기 미분 동작들을 위한 미분 시간과, 상기 제1 부분의 상기 비례동작에 인가되는 중량과 상기 미분 동작에 인가되는 중량인, 유압서보식 재료시험기.
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