(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
油圧アクチュエータを駆動源とする負荷機構を備え、かつ、その油圧アクチュエータを制御するためのフィードバック制御系を備えた電気−油圧サーボ式材料試験機において、
上記油圧アクチュエータ内の差圧を検出する差圧検出手段と、
実際の運転時における上記フィードバック制御系の比例ゲインＫP(N)を、チューニングにより設定された比例ゲインＫP(T)をもとに、チューニング時の差圧検出結果ＰT と、運転時における差圧検出結果ＰN と、油圧アクチュエータへの作動油の供給圧力ＰS とを用いて、下記の式により計算して自動的に設定変更する比例ゲイン最適化設定手段と、
を備えていることを特徴とする電気−油圧サーボ式材料試験機。
ＫP(N)＝ＫP(T)・（ＰS −ＰT ）1/2 ／（ＰS −ＰN ）1/2 
【請求項２】
請求項１に記載の差圧検出手段に代えて、試験片に作用する荷重の検出値を差圧に換算する演算手段を備えていることを特徴とする電気−油圧サーボ式材料試験機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試験片に負荷を与えるための油圧アクチュエータをフィードバック制御する、いわゆる電気−油圧サーボ式の材料試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気−油圧サーボ式の材料試験機においては、一般に、試験片に負荷を与えるための負荷機構を油圧アクチュエータによって駆動するとともに、制御量として選択されている物理量、例えば負荷機構の変位やその変位に伴って試験片に作用する荷重等、に係る目標値を波形発生装置等から供給すると同時に、その制御量の検出値を目標値にフィードバックすることによって、試験片に対して目標値通りの負荷を加える。
【０００３】
このようなフィードバックループを備えた電気−油圧サーボ式材料試験機においては、通常、目標値に検出値をフィードバックして得られる偏差をＰＩＤ（比例・積分・微分）演算して操作量を得る制御方式、すなわち、ＰＩＤ制御が採用されている。
【０００４】
ＰＩＤ制御をはじめとするフィードバック制御においては、その制御系をチューニングすること、つまりＰＩＤ制御系においては比例ゲイン、積分時間および微分時間の、いわゆるＰＩＤ定数を最適に設定することが、目標値通りの負荷を正しく試験片に加えるために必要となる。
【０００５】
ＰＩＤ制御の各定数を調節する方法の代表的な例として、ある振幅を持った矩形波入力に対する系の応答波形をもとにして、ザインの調整を行う方法などが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような方法によりフィードバックループのチューニングを行った後、実際の試験において試験片に繰り返し負荷を加える場合、チューニング時に用いた入力信号に対応する振幅、より詳しくはチューニング時に用いた入力波形の最大振幅、と等しい振幅を持つ繰り返し波形を目標値とする場合には最適な応答が得られて正確な負荷制御を行うことができるものの、試験時における振幅の設定がチューニング時における振幅とは相違する場合には最適な応答が得られず、そのような場合には再度チューニングをし直す必要があった。
【０００７】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、ある一定の振幅でチューニングを一度行っておけば、その振幅とは異なる任意の振幅で試験を行っても、常に最適な応答を得ることのできる電気−油圧サーボ式材料試験機の提供を目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の電気−油圧サーボ式材料試験機は、油圧アクチュエータを駆動源とする負荷機構を備え、かつ、その油圧アクチュエータを制御するためのフィードバック制御系を備えた電気−油圧サーボ式材料試験機において、上記油圧アクチュエータ内の差圧を検出する差圧検出手段と、実際の運転時における当該フィードバック制御系の比例ゲインＫP(N)を、チューニングにより設定された比例ゲインＫP(T)をもとに、チューニング時の差圧検出結果ＰT と、運転時における差圧検出結果ＰT と、油圧アクチュエータへの作動油の供給圧力ＰS とを用いて、下記の式により計算して自動的に設定変更する比例ゲイン最適化設定手段を備えていることによって特徴づけられる（請求項１）。
【０００９】
ＫP(N)＝ＫP(T)・（ＰS −ＰT ）1/2 ／（ＰS −ＰN ）1/2 
【００１０】
ここで、本発明においては、請求項１に記載の差圧検出手段に代えて、試験片に作用する荷重の検出値を差圧に換算する演算手段を備えた構成（請求項２）を採用しても、同じ目的を達成することができる。
【００１１】
本発明は、電気−油圧サーボ式材料試験機において、油圧アクチュエータに対する作動油の流量が系のループゲインに比例する点と、油圧アクチュエータに対する流量が当該油圧アクチュエータへの作動油の供給圧力並びにその内部の差圧から計算できる点を利用し、試験時における油圧アクチュエータ内の差圧の検出結果に応じてフィードバック制御系の比例ゲインを自動的に変化させることにより、系のループゲインを常に一定に保ち、所期の目的を達成しようとするものである。
【００１２】
すなわち、図１にモデルを示すように、油圧アクチュエータＨの駆動により試験片ＴＰに矢印Ｆで示す方向に負荷が加えられるものとし、その油圧アクチュエータＨには、サーボ弁ＳＶを介して油圧ユニットＨＵから作動油が供給されるものとする。また、油圧アクチュエータＨ内のピストンＨＰで仕切られた２つの油室ＲＡ，ＲＢ内のある時点における作動油量をそれぞれｘA0，ｘB0とし、これらの各油室ＲＡ，ＲＢにおけるピストンＨＰの受圧面積をそれぞれＳとする。
【００１３】
油圧アクチュエータＨの駆動により試験片ＴＰが負荷方向Ｆにｄだけ変形したものとすると、その変形ｄ後の油圧アクチュエータ１の各油室ＲＡ，ＲＢ内の作動油量ｘA ，ｘB は
ｘA ＝ｘA0＋Ｓｄ  ・・・・（１）
ｘB ＝ｘB0−Ｓｄ  ・・・・（２）
となる。
【００１４】
また、変形ｄによる力のバランスを考えると、試験片Ｗのバネ定数をｋとし、油圧アクチュエータ１の各油室ＲＡ，ＲＢ内の圧力をそれぞれＰA ，ＰB とすると、
Ｓ（ＰA −ＰB ）＝ｋｄ  ・・・・（３）
となる。油室ＲＡ，ＲＢ間の差圧をＰ（＝ＰA −ＰB ）と置けば、（３）式は
ＳＰ＝ｋｄ  ・・・・（４）
と表すことができる。
【００１５】
一方、油圧アクチュエータＨへの作動油の供給圧力をＰS 、作動油の密度をρとし、油室ＲＡ，ＲＢへの作動油の流入量をそれぞれｖA ，ｖB とすると、ベルヌーイの定理より、
ＰS −ＰA ＝ρｖA 2 ／２  ・・・・（５）
ＰB ＝ρｖB 2 ／２  ・・・・（６）
であり、一般にｖA ＝ｖB と置けるので、ｖA ＝ｖB ＝ｖとすると、
ＰS −（ＰA −ＰB ）＝ρｖ2   ・・・・（７）
であるから、
ＰS −Ｐ＝ρｖ2   ・・・・（８）
従って
ｖ＝（ＰS −Ｐ）1/2 ／ρ1/2 ・・・・（９）
と表すことができる。
【００１６】
さて、チューニングを行ったときの差圧（チューニングに用いた波形入力信号がその最大振幅を呈したときの差圧、換言すればチューニング時における最大差圧）をＰT とすると、そのときの流量ｖT は、
ｖT ＝（ＰS −ＰT ）1/2 ／ρ1/2   ・・・・（１０）
と表すことができる。
【００１７】
一方、実際の運転（試験）時における最大振幅時の差圧をＰN とすると、そのときの流量ｖN は
ｖN ＝（ＰS −ＰN ）1/2 ／ρ1/2   ・・・・（１１）
となる。
【００１８】
前記したように、系のループゲインは油圧アクチュエータに対する作動油流量に比例するので、チューニングを行ったときのループゲインをＧT 、そのチューニング状態をそのまま維持して実際に試験を行ったときのループゲインをＧN とすると、
ＧN ／ＧT ＝（ＰS −ＰN ）1/2 ／（ＰS −ＰT ）1/2   ・・・・（１２）
と表すことができる。
【００１９】
そこで、フィードバック制御系の各定数のうち、比例ゲインＫP について、チューニングニより設定された値をＫP(T)とすると、作動油流量が上記したｖN となるとき、換言すれば差圧がＰN となるときの比例ゲインＫp(N)を
ＫP(N)＝Ｋp(T)・（ＰS −ＰT ）1/2 ／（ＰS −ＰN ）1/2   ・・・・（１３）
に変更することにより、運転時におけるループゲインをチューニング時におけるそれと等しくすることができ、常にループゲインを一定に維持することが可能となる。従って、一定の振幅でチューニングを一度行っておきさえすれば、その振幅とは異なる任意の振幅で試験を行っても、系の応答を常に一定にすることができる。
【００２０】
ここで、以上の計算に用いた油圧アクチュエータ内の差圧Ｐは、各油室内の圧力を検出することによって得るほか、試験片に作用する荷重の検出結果から算出することもできる。
【００２１】
すなわち、油圧アクチュエータ内の差圧Ｐは、前記した（４）式に示した関係を有する。この（４）式における右辺ｋｄは、試験片に作用する荷重Ｆに等しく、従って、通常の材料試験機に具備している試験荷重検出用のロードセルによる荷重の検出値Ｆと、油室の受圧面積Ｓとを用いて、
Ｐ＝Ｆ／Ｓ  ・・・・（１４）
によって油圧アクチュエータ内の差圧を演算により求めることができる。
【００２２】
請求項２に係る発明はこの点を利用したものであり、油圧アクチュエータ内の差圧を検出するのではなく、チューニング時の差圧ＰT および実際の運転時における差圧ＰN を、荷重検出値Ｆから（１４）式を用いた演算によって求め、その結果を前記した（１３）式に適用する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図２は本発明の実施の形態の装置構成図であり、図３はそのフィードバック制御系の構成を示すブロック線図である。
【００２４】
試験機本体１は、テーブル１１上に２本のコラム１２ａ，１２ｂを設け、そのコラム１２ａ，１２ｂによってクロスヨーク１３の両端部を支持した構造を有している。
【００２５】
テーブル１１の下面側には、サーボバルブ２を介して油圧ユニット（図示せず）から供給される一定圧ＰS の作動油により動作する油圧アクチュエータ１４が設けられており、この油圧アクチュエータ１４のピストンの上端部に下掴み具１５ａが装着されているとともに、前記したクロスヨーク１３にロードセル３を介して上掴み具１５ｂが装着されている。試験片ＴＰは、これら上下の掴み具１５ａ，１５ｂにその両端部が把持された状態で試験に供される。
【００２６】
すなわち、上下の掴み具１５ａ，１５ｂに両端部を把持された試験片ＴＰは、油圧アクチュエータ１４の駆動により負荷が加えられるとともに、その試験時において試験片ＴＰに作用する荷重はロードセル３によって検出され、また、負荷機構１４の変位は変位計４によって検出される。
【００２７】
ロードセル３および変位計４による荷重並びに変位の検出信号は、制御装置５に刻々と取り込まれる。制御装置５は、ロードセル３および変位計４の刻々の出力を試験データとして記憶するとともに、図３における目標値ｒを出力する波形発生器５１と、ＰＩＤ調節部５２を含み、制御量ｚとして選択されている物理量、例えばロードセル３による荷重の検出信号を観測量ｙとして導入してフィードバックループを構築し、制御対象５３に供給すべき操作量ｕを生成する。なお、この図３に制御対象５３として示されているブロックは、サーボバルブ２、油圧アクチュエータ１４を駆動源とする試験機本体１の負荷機構、および試験片ＴＰを含む系を意味しており、操作量ｕは、サーボバルブ２の弁開度の制御信号である。
【００２８】
また、油圧アクチュエータ１４内のピストンを挟んでその両側の油圧室内の圧力は、それぞれの油室に連通する圧力センサ６ａ，６ｂによってそれぞれ検出され、その各検出結果も制御装置５に取り込まれる。
【００２９】
さて、ＰＩＤ調節部５２の比例ゲインＫP 、積分時間ＴI および微分時間ＴD の設定は、公知のチューニング法、例えば前記したザインの方法のように、ある一定の振幅を持つ矩形波を入力したときの応答から最適値に設定される。制御装置５では、このチューニング時における圧力センサ６ａ，６ｂによる圧力検出データを読み取り、両者の値の差、つまり油圧アクチュエータ１４内の差圧ＰT を算出してメモリ５ａに記憶する。また、前記した油圧ユニットから油圧アクチュエータ１４への供給圧ＰS についても、メモリ５ａにあらかじめ記憶されている。
【００３０】
実際の運転に際しては、波形発生装置５１から所要の波形信号を目標値ｒとして出力し、運転開始当初においてはチューニング時に設定された調節部５２の各定数を用いてフィードバック制御を行う。そして、その運転時における圧力セン６ａ，６ｂの出力が制御装置５に取り込まれ、油圧アクチュエータ１４内の差圧ＰN を算出し、この運転時における差圧ＰN と、メモリ５ａに記憶しているチューニング時における差圧ＰT 、および油圧アクチュエータ１４への作動油の供給圧力ＰS を用いて、前記した（１３）式を用いて、比例ゲインＫP の値をチューニング時におけるＫp(T)からＫP(N)に自動的に設定変更する。
【００３１】
この比例ゲインＫP(N)の値は、前記（１）〜（１３）式に示したように、運転時における目標値ｒの振幅がチューニング時において用い波形の振幅と相違していても、運転時におけるフィードバックループのループゲインＧN をチューニング時におけるループゲインＧT と等しくすることのできる比例ゲインであり、従ってこの実施の形態によると、任意の振幅の波形を用いてチューニングした後、その振幅とは異なる任意の振幅の目標値を供給して試験片ＴＰに負荷を加えたとき、比例ゲインＫP の値が自動的に最適化されて、目標値通りの振幅の負荷を試験片ＴＰに対して正しく加えることができる。
【００３２】
なお、以上の実施の形態では、チューニング時および運転時の油圧アクチュエータ１４内の差圧ＰT および運転時の差圧ＰN を、油圧アクチュエータ１４に設けた圧力センサ６ａ，６ｂの出力から求めた例を示したが、ロードセル３による荷重検出値を前記した（１４）式に代入することによって、チューニング時および運転時の差圧を演算によって求めるように構成しても、上記と同等の作用効果を奏することができる。
【００３３】
また、以上の実施の形態では、負荷機構をＰＩＤ制御する方式の電気−油圧サーボ式材料試験機に本発明を適用した例を示したが、フィードバック制御の制御則はＰＩＤ制御に限られることなく、他の制御則であってもよく、要はフィードバック制御系の定数として比例ゲインを含む制御則であれば本発明を等しく適用できることは勿論である。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、負荷機構の駆動源である油圧アクチュエータ内の差圧を、チューニング時と運転時においてそれぞれ検出するか、あるいは荷重検出値から計算によって求め、その各差圧と油圧アクチュエータへの作動油の供給圧力を用いて、運転時における比例ゲインの最適値をチューニングにより設定された比例ゲインをもとに演算し、その結果により自動的に比例ゲインを設定変更するので、運転時における目標値の振幅の大きさに係わらず、常に系のループゲインを一定に保つことが可能となる。その結果、ある振幅の信号を用いて一度チューニングを行っておくだけで、任意の振幅の試験に際して再チューニングを行う必要がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】モデルを用いた本発明の原理説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の装置構成図である。
【図３】図２の実施の形態のフィードバック制御系の構成を示すブロック線図である。
【符号の説明】
１  試験機本体
１１  テーブル
１２ａ，１２ｂ  コラム
１３  クロスヨーク
１４  油圧アクチュエータ
１５ａ，１５ｂ  掴み具
２  サーボバルブ
３  ロードセル
４  変位計
５  制御装置
５１  波形発生器
５２  ＰＩＤ調節部
５３  制御対象
６ａ，６ｂ  圧力センサ
ＴＰ  試験片
【図１】
0003716976.tif 000002
【図２】
0003716976.tif 000003
【図３】
0003716976.tif 000004