(57)【要約】【課題】制御対象の計測値のノイズを適正にフィルタリング処理する。【解決手段】試験対象ＴＰに試験力Ｆを付与し、試験対象ＴＰを変形させる引張試験機１であって、制御対象の計測値（例えば、伸び計測値ＥＤ）のノイズを低減するフィルタリング処理を実行するフィルタリング処理部５３と、前記フィルタリング処理された前記計測値と、前記計測値に対応する目標値との差を示す第１偏差Ｅ１が零になるようにフィードバック制御を実行するフィードバック制御部５２と、前記計測値のノイズの大きさに応じて、前記フィルタリング処理の強度を調整する強度調整部５４と、を備える。【選択図】図２
2020169838.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験対象に負荷を付与し、前記試験対象を変形させる材料試験機であって、
制御対象の計測値のノイズを低減するフィルタリング処理を実行するフィルタリング処理部と、
前記フィルタリング処理された前記計測値と、前記計測値に対応する目標値との差を示す偏差が零になるようにフィードバック制御を実行するフィードバック制御部と、
前記計測値のノイズの大きさに応じて、前記フィルタリング処理の強度を調整する強度調整部と、
を備える、材料試験機。
【請求項２】
前記材料試験機は、引張試験機であって、
前記強度調整部は、ストローク速度のノイズの大きさを前記ストローク速度で除した商である速度ノイズ比が所定範囲となるように、前記フィルタリング処理の強度を調整する、請求項１に記載の材料試験機。
【請求項３】
前記フィルタリング処理部は、カルマンフィルタを備え、
前記強度調整部は、前記速度ノイズ比が所定範囲となるように、カルマンゲインを調整する、請求項２に記載の材料試験機。
【請求項４】
前記カルマンゲインを調整する調整係数を算出する係数算出部を備え、
前記係数算出部は、前記速度ノイズ比と前記所定範囲の上限値との差の積算値を用いて前記調整係数を算出し、
前記強度調整部は、前記調整係数に応じて、前記カルマンフィルタにおける誤差分散を調整することによって、前記カルマンゲインを調整する、請求項３に記載の材料試験機。
【請求項５】
試験対象に負荷を付与し、前記試験対象を変形させる材料試験機の制御方法であって、
制御対象の計測値のノイズを低減するフィルタリング処理を実行するフィルタリング処理ステップと、
前記フィルタリング処理された前記計測値と、前記計測値に対応する目標値との差を示す偏差が零になるようにフィードバック制御を実行するフィードバック制御ステップと、
前記計測値のノイズの大きさに応じて、前記フィルタリング処理の強度を調整する強度調整ステップと、
を含む、材料試験機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料試験機、及び材料試験機の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、試験対象に負荷を付与し、試験対象を変形させて材料試験を行う材料試験機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載材の料試験機は、試験力や伸びなどの検出出力にそれぞれフィルタリング処理を施すフィルタについて、それぞれ複数種のフィルタ手法及びパラメータを記憶手段に記憶しておき、用いられているロードセルの種類や伸び計の種類、およびこれらによる各検出出力に重畳するノイズ量に基づき、各フィルタに対して最適なフィルタリング方法及びパラメータを自動的に設定することにより、各検出出力の状態等に応じた最適なフィルタリング処理を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３３１２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の材料試験機では、フィルタリング方法及びパラメータを設定することが困難である可能性がある。
例えば、引張試験機においては、引張試験の進行に伴って、伸び計の検出結果に含まれるノイズの大きさが変化する場合がある。このような場合には、最適なフィルタリング方法及びパラメータを設定することが困難である。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、制御対象の計測値のノイズを適正にフィルタリング処理できる材料試験機、及び材料試験機の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様は、試験対象に負荷を付与し、前記試験対象を変形させる材料試験機であって、制御対象の計測値のノイズを低減するフィルタリング処理を実行するフィルタリング処理部と、前記フィルタリング処理された前記計測値と、前記計測値に対応する目標値との差を示す偏差が零になるようにフィードバック制御を実行するフィードバック制御部と、前記計測値のノイズの大きさに応じて、前記フィルタリング処理の強度を調整する強度調整部と、を備える、材料試験機である。
【０００７】
本発明の第２の態様は、試験対象に負荷を付与し、前記試験対象を変形させる材料試験機の制御方法であって、制御対象の計測値のノイズを低減するフィルタリング処理を実行するフィルタリング処理ステップと、前記フィルタリング処理された前記計測値と、前記計測値に対応する目標値との差を示す偏差が零になるようにフィードバック制御を実行するフィードバック制御ステップと、前記計測値のノイズの大きさに応じて、前記フィルタリング処理の強度を調整する強度調整ステップと、を含む、材料試験機の制御方法である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の第１の態様によれば、強度調整部は、前記計測値のノイズの大きさに応じて、前記フィルタリング処理の強度を調整する。
したがって、例えば、引張試験の進行に伴って、伸び計の検出結果に含まれるノイズの大きさが変化する場合であっても、制御対象の計測値のノイズを適正にフィルタリング処理できる。
【０００９】
本発明の第２の態様によれば、第１の態様と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る引張試験機の構成の一例を示す図である。
【図２】本実施形態に係る制御回路ユニットの構成の一例を示す図である。
【図３】本実施形態に係るフィードバック制御部の構成の一例を示す図である。
【図４】比較例におけるストローク速度計測値、試験力計測値及び伸び計測値の一例を示すグラフである。
【図５】比較例における伸び計測値速度の一例を示すグラフである。
【図６】本実施形態おけるストローク速度計測値、ストローク速度計測値のノイズ量、及び速度ノイズ比の変化の一例を示すグラフである。
【図７】本実施形態における調整係数、観測ノイズの誤差分散、及びカルマンゲインの変化の一例を示すグラフである。
【図８】本実施形態における変位計測値、フィルタリング処理後の変位計測値、及びフィルタリング処理後のストローク速度計測値の変化の一例を示すグラフである。
【図９】本実施形態における伸び計測値速度、及び試験力計測値の変化の一例を示すグラフである。
【図１０】本実施形態の制御回路ユニットの処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
［１．引張試験機の構成］
図１は、本実施形態に係る引張試験機１の構成の一例を示す図である。
本実施形態の引張試験機１は、試験対象ＴＰに試験力Ｆを与えて、試料の引張強度、降伏点、伸び、絞りなどの機械的性質を測定する材料試験を行う。試験力Ｆは、引張力である。
引張試験機１は、試験対象の材料である試験対象ＴＰに試験力Ｆを与えて引張試験を行う引張試験機本体２と、当該引張試験機本体２による引張試験動作を制御する制御ユニット４と、を備える。
なお、引張試験機１は、「材料試験機」の一例に対応する。
【００１３】
試験機本体２は、テーブル６と、このテーブル６上に鉛直方向を向く状態で回転可能に立設された一対のねじ棹８、９と、これらのねじ棹８、９に沿って移動可能なクロスヘッド１０と、このクロスヘッド１０を移動させて試験対象ＴＰに負荷を与える負荷機構１２と、ロードセル１４と、を備える。ロードセル１４は、試験対象ＴＰに与えられる引張荷重である試験力Ｆを測定し、試験力測定信号ＳＧ１を出力するセンサである。
【００１４】
一対のねじ棹８、９は、クロスヘッド１０に挿通され、クロスヘッド１０は、各ねじ棹８、９に対して連結されている。
負荷機構１２は、各ねじ棹８、９の下端部に連結されるウォーム減速機１６、１７と、各ウォーム減速機１６、１７に連結されるサーボモータ１８と、ロータリエンコーダ２０と、を備える。ロータリエンコーダ２０は、サーボモータ１８の回転量を測定し、回転量に応じたパルス数の回転測定信号ＳＧ２を制御ユニット４に出力するセンサである。
そして負荷機構１２は、ウォーム減速機１６、１７を介して、一対のねじ棹８、９にサーボモータ１８の回転を伝達し、各ねじ棹８、９が同期して回転することにより、クロスヘッド１０がねじ棹８、９に沿って昇降する。
【００１５】
クロスヘッド１０には、試験対象ＴＰの上端部を把持するための上つかみ具２１が付設され、テーブル６には、試験対象ＴＰの下端部を把持するための下つかみ具２２が付設されている。試験機本体２は、引張試験の際、試験対象ＴＰの両端部をこれらの上つかみ具２１及び下つかみ具２２により把持した状態で、制御ユニット４の制御に従って、クロスヘッド１０を上昇させることにより、試験対象ＴＰに試験力Ｆを与える。
【００１６】
試験対象ＴＰには、変位センサ１５が配置される。試験対象ＴＰは、例えば、中央がくびれて形成されたダンベル型試験対象が用いられる。変位センサ１５は、試験対象ＴＰの１対の標点の間の距離を測定することによって、伸び計測値ＥＤを測定し、伸び測定信号ＳＧ３を出力するセンサである。１対の標点は、試験対象ＴＰがくびれた領域の上部と下部とに配置される。
【００１７】
制御ユニット４は、統括制御装置３０と、表示装置３２と、試験プログラム実行装置３４と、を備える。
統括制御装置３０は、当該試験機本体２を中枢的に制御する装置であり、試験機本体２との間で信号を送受信可能に接続される。試験機本体２から受信する信号は、ロードセル１４が出力する試験力測定信号ＳＧ１、ロータリエンコーダ２０が出力する回転測定信号ＳＧ２、変位センサ１５が出力する伸び測定信号ＳＧ３、及び制御や試験に要する適宜の信号などである。
表示装置３２は、統括制御装置３０から入力される信号に基づいて各種情報を表示する装置であり、例えば、統括制御装置３０は、引張試験の間、伸び測定信号ＳＧ３に基づいて試験対象ＴＰの伸びの測定値である伸び計測値ＥＤを表示装置３２に表示する。また、例えば、統括制御装置３０は、引張試験の間、回転測定信号ＳＧ２に基づくクロスヘッド１０の変位を示す変位計測値ＸＤを表示装置３２に表示する。
【００１８】
引張試験プログラム実行装置３４は、引張試験の試験条件といった各種設定パラメータの設定操作や実行指示操作などのユーザ操作を受け付け、統括制御装置３０に出力する機能や、試験力計測値ＦＤのデータを解析する機能などを備えた装置である。
本実施形態の引張試験プログラム実行装置３４はコンピュータを備え、このコンピュータは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）やＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ−Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）などのプロセッサと、ＲＯＭ(Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ)やＲＡＭ(Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ)などのメモリデバイスと、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）やＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｄｒｉｖｅ）などのストレージ装置と、統括制御装置３０や各種の周辺機器などを接続するためのインターフェース回路と、を備える。そして、プロセッサがメモリデバイス又はストレージ装置に記憶されたコンピュータプログラムである引張試験プログラムを実行することで、上述の各種の機能を実現する。
【００１９】
次いで、本実施形態の統括制御装置３０について、更に詳述する。
統括制御装置３０は、図１に示すように、信号入出力ユニット４０と、制御回路ユニット５０と、を備える。
信号入出力ユニット４０は、試験機本体２との間で信号を送受する入出力インターフェース回路を構成するものであり、本実施形態では、第１センサアンプ４２と、第２センサアンプ４５と、カウンタ回路４３と、サーボアンプ４４とを有する。
第１センサアンプ４２は、ロードセル１４が出力する試験力測定信号ＳＧ１を増幅して制御回路ユニット５０に出力する増幅器である。
第２センサアンプ４５は、変位センサ１５が出力する伸び測定信号ＳＧ３を増幅して制御回路ユニット５０に出力する増幅器である。
カウンタ回路４３は、ロータリエンコーダ２０が出力する回転測定信号ＳＧ２のパルス数を計数し、サーボモータ１８の回転量、すなわちサーボモータ１８の回転によって昇降するクロスヘッド１０の変位計測値ＸＤを示す変位測定信号Ａ３を制御回路ユニット５０にデジタル信号で出力する。
サーボアンプ４４は、制御回路ユニット５０の制御に従って、サーボモータ１８を制御する装置である。
【００２０】
［２．制御回路ユニットの構成］
図２は、制御回路ユニット５０の機能的構成を示すブロック図である。
制御回路ユニット５０は、通信部５１と、フィードバック制御部５２と、フィルタリング処理部５３と、強度調整部５４と、係数算出部５５とを備える。
制御回路ユニット５０は、ＣＰＵやＭＰＵなどのプロセッサと、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリデバイスと、ＨＤＤやＳＳＤなどのストレージ装置と、信号入出力ユニット４０とのインターフェース回路と、引張試験プログラム実行装置３４と通信する通信装置と、表示装置３２を制御する表示制御回路と、各種の電子回路と、を備えたコンピュータを備える。また、制御回路ユニット５０のプロセッサがメモリデバイス又はストレージ装置に記憶された制御プログラムを実行することで、図２に示す各機能部を実現する。
また、信号入出力ユニット４０のインターフェース回路にはＡ／Ｄ変換器が設けられており、アナログ信号の試験力測定信号ＳＧ１及び伸び測定信号ＳＧ３がＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換される。
なお、制御回路ユニット５０は、コンピュータに限らず、ＩＣチップやＬＳＩなどの集積回路といった１又は複数の適宜の回路によって構成されてもよい。
【００２１】
通信部５１は、試験プログラム実行装置３４との間で通信し、試験条件の設定や各種設定パラメータの設定値、引張試験の実行指示や中断指示などを試験プログラム実行装置３４から受信する。また、通信部５１は、伸び測定信号ＳＧ３に基づく伸び計測値ＥＤ、及び試験力測定信号ＳＧ１に基づく試験力計測値ＦＤを適宜のタイミングで試験プログラム実行装置３４に送信する。また、通信部５１は、回転測定信号ＳＧ２に基づく変位計測値ＸＤを適宜のタイミングで試験プログラム実行装置３４に送信する。
【００２２】
［２−１．フィードバック制御部の構成］
フィードバック制御部５２は、試験機本体２のサーボモータ１８をフィードバック制御して引張試験を実行する。フィードバック制御部５２は、サーボモータ１８のフィードバック制御を実行する回路である。
本実施形態では、フィードバック制御部５２が、変位センサ１５によって測定された伸び計測値ＥＤについて速度制御を実行する場合について説明する。この場合には、フィードバック制御部５２は、伸び計測値速度ＶＥを伸び速度目標値ＶＥＴに一致させるように変位計測値ＸＤの指令値ｄＸを演算し、当該指令値ｄＸを示す指令信号Ａ４（図１）をサーボアンプ４４に出力する。伸び計測値速度ＶＥは、変位センサ１５によって測定された伸び計測値ＥＤの単位時間当たりの変化量を示し、伸び速度目標値ＶＥＴは、伸び計測値速度ＶＥの目標値を示す。
なお、伸び計測値ＥＤは、「制御対象の計測値」の一例に対応する。また、本実施形態では、図３を用いて後述するように、フィードバック制御部５２は、伸び計測値速度ＶＥに換えて、伸び計測値速度ＶＥＤを用いて、フィードバック制御を実行する。すなわち、フィードバック制御部５２は、伸び計測値速度ＶＥＤを伸び速度目標値ＶＥＴに一致させるようにフィードバック制御を実行する。
【００２３】
本実施形態では、伸び計測値ＥＤについて速度制御を実行する場合について説明するが、フィードバック制御部５２は、例えば、ロードセル１４が出力する試験力計測値ＦＤについて速度制御を実行してもよい。この場合には、フィードバック制御部５２は、試験力計測値速度ＶＦを試験力速度目標値ＶＦＴに一致させるように変位計測値ＸＤの指令値ｄＸを演算し、当該指令値ｄＸを示す指令信号Ａ４（図１）をサーボアンプ４４に出力する。試験力計測値速度ＶＦは、試験力計測値ＦＤの単位時間当たりの変化量を示し、試験力速度目標値ＶＦＴは、試験力計測値速度ＶＦの目標値を示す。
【００２４】
また、ロータリエンコーダ２０によって測定された変位計測値ＸＤについて速度制御を実行してもよい。この場合には、フィードバック制御部５２は、変位計測値速度Ｖを変位速度目標値ＶＴに一致させるように変位計測値ＸＤの指令値ｄＸを演算し、当該指令値ｄＸを示す指令信号Ａ４（図１）をサーボアンプ４４に出力する。変位計測値速度Ｖは、変位計測値ＸＤの単位時間当たりの変化量を示し、変位速度目標値ＶＴは、変位計測値速度Ｖの目標値を示す。
なお、本実施形態において、「速度制御」とは、センサ等によって測定された検出値の単位時間当たりの変化量を、その目標値に一致させるように制御することを示す。
【００２５】
本実施形態では、変位センサ１５によって測定された伸び計測値ＥＤについて速度制御を実行する場合について説明するが、伸び計測値ＥＤについて位置制御を実行してもよい。この場合には、フィードバック制御部５２は、変位センサ１５によって測定された伸び計測値ＥＤを伸び目標値ＥＴに一致させるように変位計測値ＸＤの指令値ｄＸを演算し、当該指令値ｄＸを示す指令信号Ａ４（図１）をサーボアンプ４４に出力する。なお、伸び目標値ＥＴは、伸び計測値ＥＤの目標値を示す。
【００２６】
また、ロータリエンコーダ２０によって測定された変位計測値ＸＤについて位置制御を実行してもよい。この場合には、フィードバック制御部５２は、変位計測値ＸＤを変位目標値ＸＴに一致させるように変位計測値ＸＤの指令値ｄＸを演算し、当該指令値ｄＸを示す指令信号Ａ４（図１）をサーボアンプ４４に出力する。なお、変位目標値ＸＴは、変位計測値ＸＤの目標値を示す。
また、ロードセル１４が出力する試験力計測値ＦＤについて位置制御を実行してもよい。この場合には、フィードバック制御部５２は、試験力計測値ＦＤを試験力目標値ＦＴに一致させるように変位計測値ＸＤの指令値ｄＸを演算し、当該指令値ｄＸを示す指令信号Ａ４（図１）をサーボアンプ４４に出力する。なお、試験力目標値ＦＴは、試験力計測値ＦＤの目標値を示す。
なお、本実施形態において、「位置制御」とは、センサ等によって測定された検出値を、その目標値に一致させるように制御することを示す。
【００２７】
図３は、フィードバック制御部５２の構成の一例を示す図である。
本実施形態では、フィードバック制御にはＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御が用いられており、フィードバック制御部５２は、比例器５２３、積分器５２４、及び微分器５２５を備える。
また、フィードバック制御部５２は、減算器５２１、乗算器５２２、加算器５２６を備える。
【００２８】
減算器５２１は、伸び速度目標値ＶＥＴから伸び計測値速度ＶＥＤを減じて、第１偏差Ｅ１を算出する。伸び計測値速度ＶＥＤは、フィルタリング処理部５３によって、伸び計測値速度ＶＥがフィルタリング処理された伸び計測値速度を示す。具体的には、伸び計測値速度ＶＥＤは、後述する式（１６）によって算出される。第１偏差Ｅ１は、「偏差」の一例に対応する。
乗算器５２２は、第１偏差Ｅ１に制御剛性ＣＰを乗じて、第２偏差Ｅ２を算出する。
制御剛性ＣＰは、次の式（１）によって算出される。
ＣＰ（ｔ）＝ΔＸ（ｔ）／ΔＦ（ｔ）      （１）
式（１）において、時間ｔは制御周期の実行タイミングを示す。また、制御剛性ＣＰ（ｔ）は各制御周期における制御剛性ＣＰを示す。また、移動量ΔＸ（ｔ）は各制御周期におけるクロスヘッド１０の移動量ΔＸを示す。また、試験力変化量ΔＦ（ｔ）は各制御周期における試験力変化量ΔＦを示し、例えば今回の制御周期における試験力計測値ＦＤと前回の制御周期における試験力計測値ＦＤと差である。
【００２９】
第２偏差Ｅ２は、比例器５２３、積分器５２４、及び微分器５２５の各々に入力される。
比例器５２３は、第１操作量Ｕ１を出力し、積分器５２４は、第２操作量Ｕ２を出力し、微分器５２５は、第３操作量Ｕ３を出力する。
加算器５２６は、第１操作量Ｕ１と、第２操作量Ｕ２と、第３操作量Ｕ３とを加算して、操作量Ｕを算出する。
操作量Ｕは、試験機本体２に入力される。操作量Ｕは、例えば、サーボモータ１８の回転量を示す。
【００３０】
［２−３．フィルタリング処理］
図２に戻って、制御回路ユニット５０の機能的構成について説明する。
フィルタリング処理部５３は、カルマンフィルタを用いて伸び計測値速度ＶＥのフィルタリング処理を実行する。カルマンフィルタは、状態空間表現と、予測ステップと、フィルタリングステップとを含む。状態空間表現は、次の式（２）に示す動作モデルと、次の式（３）に示す観測モデルとを含む。
【数１】
2020169838.tif 000003
【数２】
2020169838.tif 000004
【００３１】
また、予測ステップは、次の式（４）に示す事前推定値と、次の式（５）に示す事前誤差共分散とを含む。
【数３】
2020169838.tif 000005
【数４】
2020169838.tif 000006
【００３２】
また、フィルタリングステップは、次の式（６）に示すカルマンゲインと、次の式（７）に示す事後推定値と、次の式（８）に示す事後誤差共分散とを含む。
【数５】
2020169838.tif 000007
【数６】
2020169838.tif 000008
【数７】
2020169838.tif 000009
【００３３】
上記観測モデルにおいて、Ｃ＝１として、パラメータを全て一次元にすることによって、次の式（９）〜式（１５）が得られる。
すなわち、状態空間表現は、次の式（９）に示す動作モデルと、次の式（１０）に示す観測モデルとを含む。
【数８】
2020169838.tif 000010
【数９】
2020169838.tif 000011
【００３４】
また、予測ステップは、次の式（１１）に示す事前推定値と、次の式（１２）に示す事前誤差共分散とを含む。
【数１０】
2020169838.tif 000012
【数１１】
2020169838.tif 000013
【００３５】
フィルタリングステップは、次の式（１３）に示すカルマンゲインＫｔと、次の式（１４）に示す事後推定値と、次の式（１５）に示す事後誤差共分散とを含む。
【数１２】
2020169838.tif 000014
【数１３】
2020169838.tif 000015
【数１４】
2020169838.tif 000016
【００３６】
カルマンゲインＫｔは、強度調整部５４によって算出される。
フィルタリング処理部５３は、強度調整部５４によって算出されたカルマンゲインＫｔを用いて、次の式（１６）により、伸び計測値速度ＶＥをフィルタリング処理し、フィルタリング処理後の伸び計測値速度ＶＥＤを算出する。
ＶＥＤ＝ＶＥ×Ｋｔ＋ＶＣ×（１−Ｋｔ）      （１６）
ここで、伸び計算値速度ＶＣは、カルマンフィルタによって計算された伸び速度の計算値を示す。具体的には、カルマンフィルタは、試験機本体２の応答特性を同定し、同定結果を用いて、伸び計算値速度ＶＣを算出する。
フィードバック制御部５２は、図３に示すように、伸び計測値速度ＶＥＤを用いて、フィードバック制御を実行する。すなわち、フィードバック制御部５２は、伸び計測値速度ＶＥＤを伸び速度目標値ＶＥＴに一致させるようにフィードバック制御を実行する。
【００３７】
［２−４．調整係数とカルマンゲインとの算出］
強度調整部５４は、計測値のノイズの大きさに応じて、フィルタリング処理の強度を調整する。具体的には、強度調整部５４は、ストローク速度計測値ＳＶのノイズ量ＮＷをストローク速度計測値ＳＶで除した商である速度ノイズ比ＮＢＳが所定範囲ＲＧ内の値となるように、フィルタリング処理の強度を調整する。ストローク速度計測値ＳＶは、ストロークＳＴの単位時間当たりの変化を示す。ストロークＳＴは、クロスヘッド１０の移動量を示す。すなわち、ストロークＳＴは、サーボモータ１８によるねじ棹８、９の上下方向の移動量を示す。
速度ノイズ比ＮＢＳは、次の式（１７）で求められる。
ＮＢＳ＝ＮＷ／ＳＶ      （１７）
ここで、ノイズ量ＮＷは、ストローク速度計測値ＳＶのノイズの大きさを示す。なお、ノイズ量ＮＷ及び速度ノイズ比ＮＢＳについては、図６を参照して後述する。
【００３８】
係数算出部５５は、カルマンゲインＫｔを調整する調整係数ρを算出する。調整係数ρは、速度ノイズ比ＮＢＳの値が所定範囲ＲＧ内になるように、カルマンゲインＫｔを調整する。所定範囲ＲＧは、例えば、１．２〜１．６の範囲である。
係数算出部５５は、調整係数ρを次の式（１８）で算出する。
ρ＝∫（ＮＢＳ−ＣＴ）ｄｔ      （１８）
ここで、定数ＣＴは、例えば、所定範囲ＲＧの上限値である。すなわち、定数ＣＴは、１．６である。なお、調整係数ρについては、図７を参照して後述する。また、式（１８）の右辺は、「積算値」の一例に対応する。
【００３９】
強度調整部５４は、カルマンフィルタにおける観測ノイズの誤差分散σｚ２を次の式（１９）で算出することによって、速度ノイズ比ＮＢＳの値が所定範囲ＲＧ内になるように、カルマンゲインＫｔを算出する。
σｚ２＝σｚＳＴ２×ρ      （１９）
ここで、初期誤差分散σｚＳＴ２は、誤差分散σｚ２の初期値を示す。なお、カルマンゲインＫｔ及び誤差分散σｚ２については、図７を参照して後述する。
【００４０】
［３．実験結果］
［３−１．比較例における実験結果］
図４及び図５を参照して、比較例において伸び速度一定制御を行った場合の実験結果について説明する。
比較例は、本実施形態におけるフィルタリング処理部５３、強度調整部５４、及び係数算出部５５を備えない点で本実施形態と相違している。すなわち、比較例では、フィードバック制御部５２は、伸び計測値速度ＶＥを伸び速度目標値ＶＥＴに一致させるようにフィードバック制御を実施する。
【００４１】
図４は、比較例におけるストローク速度計測値ＳＶ、試験力計測値ＦＤ及び伸び計測値ＥＤの一例を示すグラフである。図４の横軸は、時間Ｔを示し、縦軸は、ストローク速度計測値ＶＳＴ、試験力計測値ＦＤ及び伸び計測値ＥＤを示す。
図４のグラフＧ１１は、ストローク速度計測値ＳＶの変化を示す。グラフＧ１１に示すように、ストローク速度計測値ＳＶのノイズ量が大きかった。
【００４２】
図４のグラフＧ１２は、試験力計測値ＦＤの変化を示す。グラフＧ１２に示すように、試験力計測値ＦＤは、急激に増加した後、傾きが減少した。
図４のグラフＧ１３は、伸び計測値ＥＤの変化を示す。グラフＧ１３に示すように、伸び計測値ＥＤは、傾き一定で増加した。
【００４３】
図５は、比較例における伸び計測値速度ＶＥの一例を示すグラフである。図５の横軸は、時間Ｔを示し、縦軸は、伸び速度計測値ＶＥを示す。
図５のグラフＧ２は、伸び計測値速度ＶＥの変化を示す。グラフＧ２に示すように、伸び計測値速度ＶＥは、伸び速度目標値ＶＥＴである０．０７（ｍｍ／ｍｉｎ）に到達した後、大きく振動している。
すなわち、比較例においては、制御対象の計測値である伸び計測値ＥＤのノイズの影響で、制御精度が充分ではなかった。具体的には、伸び計測値ＥＤは、伸び速度目標値ＶＥＴに対して±１０％の範囲ＲＶになるように制御することが要求されるが、比較例では、伸び計測値ＥＤを範囲ＲＶ内で制御することができなかった。
【００４４】
［３−２．本実施形態における実験結果］
図６は、本実施形態おけるストローク速度計測値ＳＶ、ストローク速度計測値ＳＶのノイズ量ＮＷ、及び速度ノイズ比ＮＢＳの変化の一例を示すグラフである。図６の上段の図において、横軸は、時間Ｔを示し、縦軸は、ノイズ量ＮＷ及びストローク速度計測値ＳＶを示す。図６の下段の図において、横軸は、時間Ｔを示し、縦軸は、速度ノイズ比ＮＢＳを示す。
【００４５】
図６の上段の図のグラフＧ３１は、ストローク速度計測値ＳＶの変化を示す。
図６の上段の図のグラフＧ３２は、ストローク速度計測値ＳＶのノイズ量ＮＷを示す。なお、本実施形態では、ノイズ量ＮＷを以下のようにして算出した。
１秒間のストローク速度計測値ＳＶに対して、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を実行し、ストローク速度計測値ＳＶの周波数毎の振幅を算出した。そして、ストローク速度計測値ＳＶの周波数毎の振幅のうち、低周波を除いた振幅累積値を算出し、振幅累積値をストローク速度目標値ＳＶＴで除してノイズ量ＮＷを算出した。ノイズ量ＮＷは、「ノイズの大きさ」の一例に対応する。
グラフＧ３１及びグラフＧ３２に示すように、材料試験を開始した時間Ｔ０から時間Ｔ１においては、図４のグラフＧ１１に示すストローク速度計測値ＳＶと同様に、ストローク速度計測値ＳＶのノイズ量ＮＷが大きかったが、時間Ｔ２以降においては、ストローク速度計測値ＳＶのノイズ量ＮＷが小さくなった。
【００４６】
図６の下段の図のグラフＧ３３は、速度ノイズ比ＮＢＳの変化を示す。グラフＧ３３に示すように、速度ノイズ比ＮＢＳは、時間Ｔ０から時間Ｔ２までは大きな値であるが、時間Ｔ２以降は小さな値で安定している。具体的には、速度ノイズ比ＮＢＳは、時間Ｔ２以降は所定範囲ＲＧ内の値になった。なお、所定範囲ＲＧは、１．２〜１．６の範囲である。
【００４７】
図７は、本実施形態における調整係数ρ、観測ノイズの誤差分散σｚ２、及びカルマンゲインＫｔの変化の一例を示すグラフである。図７の上段の図において、横軸は、時間Ｔを示し、縦軸は、調整係数ρを示す。図７の中段の図において、横軸は、時間Ｔを示し、縦軸は、誤差分散σｚ２を示す。図７の下段の図において、横軸は、時間Ｔを示し、縦軸は、カルマンゲインＫｔを示す。
【００４８】
図７の上段の図のグラフＧ４１は、調整係数ρの変化を示す。グラフＧ４１に示すように、調整係数ρは、材料試験を開始した時間Ｔ０から急激に増加し、時間Ｔ３以降は傾きが減少した。
【００４９】
図７の中段の図のグラフＧ４２は、誤差分散σｚ２の変化を示す。グラフＧ４２に示すように、誤差分散σｚ２は、材料試験を開始した時間Ｔ０から急激に増加し、時間Ｔ３以降は傾きが減少した。
【００５０】
図７の下段の図のグラフＧ４３は、カルマンゲインＫｔの変化を示す。グラフＧ４３に示すように、カルマンゲインＫｔは、材料試験を開始した時間Ｔ０から急激に減少し、時間Ｔ３以降は概ね一定値になった。
【００５１】
図８は、本実施形態における変位計測値ＸＤ、フィルタリング処理後の変位計測値ＸＤＤ、及びフィルタリング処理後のストローク速度計測値ＳＶＤの変化の一例を示すグラフである。変位計測値ＸＤＤ及びストローク速度計測値ＳＶＤは、伸び計測値速度ＶＥＤに対応する。
図８の上段に示す図において、横軸は、時間Ｔを示し、縦軸は、変位計測値ＸＤ、及び変位計測値ＸＤＤを示す。図８の下段に示す図において、横軸は、時間Ｔを示し、縦軸は、ストローク速度計測値ＳＶＤを示す。
【００５２】
図８の上段のグラフＧ５１は、変位計測値ＸＤの変化を示す。グラフＧ５１に示すように、変位計測値ＸＤには大きなノイズが含まれていた。換言すれば、変位計測値ＸＤは、ＳＮ比が小さかった。
図８の上段のグラフＧ５２は、調整係数ρを「１」に固定した場合のフィルタリング処理後の変位計測値ＸＤＤを示す。変位計測値ＸＤＤは、グラフＧ５１に示す変位計測値ＸＤと比較して、ノイズが大幅に小さくなった。換言すれば、変位計測値ＸＤＤは、ＳＮ比が大きくなった。
図８の上段のグラフＧ５３は、フィルタリング処理後の変位計測値ＸＤＤを示す。変位計測値ＸＤＤは、グラフＧ５１に示す変位計測値ＸＤと比較して、ノイズが更に大幅に小さくなった。換言すれば、変位計測値ＸＤＤは、ＳＮ比が更に大きくなった。
【００５３】
図８の下段のグラフＧ６１は、調整係数ρを「１」に固定した場合のフィルタリング処理後のストローク速度計測値ＳＶＤの変化を示す。図８の下段のグラフＧ６２は、フィルタリング処理後のストローク速度計測値ＳＶＤの変化を示す。
グラフＧ６１に示す調整係数ρを「１」に固定した場合と比較して、グラフＧ６２に示す調整係数ρを「１」に固定しない場合には（すなわち、本実施形態では）、ストローク速度計測値ＳＶＤのノイズが大幅に減少した。換言すれば、調整係数ρを用いることによって、ストローク速度計測値ＳＶＤのノイズを大幅に減少できた。
【００５４】
図９は、本実施形態における伸び計測値速度ＶＥ、及び試験力計測値ＦＤの変化の一例を示すグラフである。図９において、横軸は、時間Ｔを示し、左側の縦軸は、伸び計測値速度ＶＥを示し、右側の縦軸は、試験力計測値ＦＤを示す。
図９のグラフＧ７１は、伸び計測値速度ＶＥの変化を示す。グラフＧ７１に示すように、伸び計測値速度ＶＥを、±１０％の範囲ＲＶで制御することができた。すなわち、制御精度を向上できた。
図９のグラフＧ７２は、試験力計測値ＦＤの変化を示す。試験力計測値ＦＤは、材料試験を開始した時間Ｔ０から急激に増加し、時間Ｔ４以降は傾きが減少した。
【００５５】
以上、図６〜図９を参照して説明したように、本実施形態では、調整係数ρを用いて、誤差分散σｚ２を調整することによって、カルマンゲインＫｔを調整したため、伸び計測値速度ＶＥを、±１０％の範囲ＲＶで制御することができた。すなわち、制御精度を向上できた。
【００５６】
［４．制御装置の処理］
次に、図１０を参照して、制御回路ユニット５０の処理について説明する。
図１０は、本実施形態の制御回路ユニット５０の処理の一例を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１０１において、制御回路ユニット５０は、材料試験が開始されたか否かを判定する。
材料試験が開始されていないと制御回路ユニット５０が判定した場合（ステップＳ１０１；ＮＯ）には、処理が待機状態になる。材料試験が開始されたと制御回路ユニット５０が判定した場合（ステップＳ１０１；ＹＥＳ）には、処理がステップＳ１０３に進む。
そして、ステップＳ１０３において、強度調整部５４は、ストローク速度計測値ＳＶのノイズ量ＮＷを算出する。
【００５７】
次に、ステップＳ１０５において、制御回路ユニット５０は、ストローク速度計測値ＳＶを算出する。具体的には、強度調整部５４は、変位計測値ＸＤを用いてストローク速度計測値ＳＶを算出する。
次に、ステップＳ１０７において、制御回路ユニット５０は、式（１７）を用いて、速度ノイズ比ＮＢＳを算出する。
次に、ステップＳ１０９において、係数算出部５５は、式（１８）を用いて、調整係数ρを算出する。
【００５８】
次に、ステップＳ１１１において、強度調整部５４は、式（１９）を用いて、観測ノイズの誤差分散σｚ２を算出する。
次に、ステップＳ１１３において、強度調整部５４は、誤差分散σｚ２を用いて、カルマンゲインＫｔを算出する。
次に、ステップＳ１１５において、フィルタリング処理部５３は、式（１６）を用いて、フィルタリング処理を実行し、フィルタリング処理後の伸び計測値速度ＶＥＤを算出する。
【００５９】
次に、ステップＳ１１７において、制御回路ユニット５０は、材料試験が終了したか否かを判定する。
材料試験が終了していないと制御回路ユニット５０が判定した場合（ステップＳ１１７；ＮＯ）には、処理がステップＳ１０３に戻る。材料試験が終了したと制御回路ユニット５０が判定した場合（ステップＳ１１７；ＹＥＳ）には、処理が終了する。
【００６０】
ステップＳ１１５は、「フィルタリング処理ステップ」の一例に対応する。ステップＳ１１１及びステップＳ１１３は、「強度調整ステップ」の一例に対応する。
【００６１】
［５．態様と効果］
上述した実施形態及び変形例は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
【００６２】
（第１項）
一態様に関わる材料試験機は、試験対象に負荷を付与し、前記試験対象を変形させる材料試験機であって、制御対象の計測値のノイズを低減するフィルタリング処理を実行するフィルタリング処理部と、前記フィルタリング処理された前記計測値と、前記計測値に対応する目標値との差を示す偏差が零になるようにフィードバック制御を実行するフィードバック制御部と、前記計測値のノイズの大きさに応じて、前記フィルタリング処理の強度を調整する強度調整部と、を備える、材料試験機である。
【００６３】
第１項に記載の材料試験機によれば、制御対象の計測値のノイズの大きさに応じて、フィルタリング処理の強度を調整するため、制御対象の計測値のノイズを適正にフィルタリング処理できる。したがって、材料試験機の制御精度を向上できる。
【００６４】
（第２項）
第１項に記載の材料試験機において、前記材料試験機は、引張試験機であって、前記強度調整部は、ストローク速度のノイズの大きさを前記ストローク速度で除した商である速度ノイズ比が所定範囲となるように、前記フィルタリング処理の強度を調整する。
【００６５】
第２項に記載の材料試験機によれば、速度ノイズ比が所定範囲となるように、フィルタリング処理の強度を調整するため、制御対象の計測値のノイズを更に適正にフィルタリング処理できる。したがって、材料試験機の制御精度を向上できる。
【００６６】
（第３項）
第２項に記載の材料試験機において、前記フィルタリング処理部は、カルマンフィルタを備え、前記強度調整部は、前記速度ノイズ比が所定範囲となるように、カルマンゲイン（Ｋｔ）を調整する。
【００６７】
第３項に記載の材料試験機によれば、速度ノイズ比が所定範囲となるように、カルマンゲインを調整するため、カルマンフィルタによるフィルタリング処理の強度を適正に調整できる。したがって、制御対象の計測値のノイズを更に適正にフィルタリング処理できる。
【００６８】
（第４項）
第３項に記載の材料試験機において、前記カルマンゲインを調整する調整係数を算出する係数算出部を備え、前記係数算出部は、前記速度ノイズ比と前記所定範囲の上限値との差の積算値を用いて、前記調整係数を算出し、前記強度調整部は、前記調整係数に応じて、前記カルマンフィルタにおける誤差分散を調整することによって、前記カルマンゲインを調整する。
【００６９】
第４項に記載の材料試験機によれば、速度ノイズ比と所定範囲の上限値との差の積算値として、調整係数を算出し、調整係数に応じて、カルマンフィルタにおける誤差分散を調整することによって、カルマンゲインを調整するため、誤差分散を適正に調整できる。よって、カルマンゲインを適正に調整できる。したがって、制御対象の計測値のノイズを更に適正にフィルタリング処理できる。
【００７０】
（第５項）
一態様に関わる材料試験機の制御方法は、試験対象に負荷を付与し、前記試験対象を変形させる材料試験機の制御方法であって、制御対象の計測値のノイズを低減するフィルタリング処理を実行するフィルタリング処理ステップと、前記フィルタリング処理された前記計測値と、前記計測値に対応する目標値との差を示す偏差が零になるようにフィードバック制御を実行するフィードバック制御ステップと、前記計測値のノイズの大きさに応じて、前記フィルタリング処理の強度を調整する強度調整ステップと、を含む、材料試験機の制御方法である。
【００７１】
第６項に記載の材料試験機の制御方法によれば、第１項に記載の材料試験機と同様の効果を奏する。
【００７２】
［６．その他の実施形態］
本実施形態では、材料試験機が引張試験機１である場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。材料試験機が試験対象ＴＰに負荷を付与し、試験対象ＴＰを変形させて材料試験を行えばよい。例えば、材料試験機が、圧縮試験機、曲げ試験機、又はねじり試験機でもよい。
【００７３】
また、本実施形態では、制御対象の計測値が伸び計測値速度ＶＥである場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。制御対象の計測値は、試験力計測値速度ＶＦでもよい。また、制御対象の計測値が伸び計測値ＥＤでもよいし、試験力計測値ＦＤでもよい。
【００７４】
また、本実施形態では、「ノイズの大きさ」としてノイズ量ＮＷを用いたが、本発明はこれに限定されない。「ノイズの大きさ」は、例えば、ＲＭＳ（Ｒｏｏｔ−Ｍｅａｎ−Ｓｑｕａｒｅ）ノイズでもよいし、ピークトゥーピーク（ｐｅａｋ  ｔｏ  ｐｅａｋ）ノイズでもよい。
【００７５】
また、本実施形態では、フィルタリング処理部５３が、カルマンフィルタを用いてフィルタリング処理を実行するが、本発明はこれに限定されない。フィルタリング処理部５３が、例えばローパスフィルタを用いてフィルタリング処理を実行してもよい。この場合には、強度調整部５４は、計測値のノイズの大きさに応じて、ローパスフィルタのフィルタリング処理の強度を調整する。具体的には、強度調整部５４は、計測値のノイズの大きさに応じて、ローパスフィルタのフィルタリング周波数を低減する。
【００７６】
なお、本実施形態に係る引張試験機１は、あくまでも本発明に係る材料試験機の態様の例示であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲において任意に変形および応用が可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１  引張試験機（材料試験機）
２  引張試験機本体
４  制御ユニット
１０  クロスヘッド
１４  ロードセル
１５  変位センサ
１８  サーボモータ
２０  ロータリエンコーダ
２１  上つかみ具
２２  下つかみ具
３０  統括制御装置
３２  表示装置
３４  引張試験プログラム実行装置
４０  信号入出力ユニット
４２  第１センサアンプ
４３  カウンタ回路
４４  サーボアンプ
４５  第２センサアンプ
５０  制御回路ユニット（制御装置）
５１  通信部
５２  フィードバック制御部
５３  フィルタリング処理部
５４  強度調整部
５５  係数算出部
５２１  減算器
５２２  乗算器
５２３  比例器
５２４  積分器
５２５  微分器
５２６  加算器
ＣＰ、ＣＰＡ  制御剛性
ｄＸ  指令値
Ｅ１  第１偏差（偏差）
Ｅ２  第２偏差
ＥＤ  伸び計測値（制御対象の計測値）
ＦＤ  試験力計測値
Ｋｔ  カルマンゲイン
ＮＢＳ  速度ノイズ比
ＮＷ  ノイズ量（ノイズの大きさ）
ＲＧ  所定範囲
ＲＶ  範囲
ＳＧ１  試験力測定信号
ＳＧ２  回転測定信号
ＳＧ３  伸び測定信号
ＳＶ、ＳＶＤ  ストローク速度計測値
ＴＰ  試験対象
Ｕ  操作量
Ｕ１  第１操作量
Ｕ２  第２操作量
Ｕ３  第３操作量
ＶＥ、ＶＥＤ  伸び計測値速度
ＶＥＴ  伸び速度目標値
ＸＤ  変位計測値
ρ  調整係数
【図１】
2020169838.tif 000017
【図２】
2020169838.tif 000018
【図３】
2020169838.tif 000019
【図４】
2020169838.tif 000020
【図５】
2020169838.tif 000021
【図６】
2020169838.tif 000022
【図７】
2020169838.tif 000023
【図８】
2020169838.tif 000024
【図９】
2020169838.tif 000025
【図１０】
2020169838.tif 000026