(57)【要約】【課題】モータを駆動源とする材料試験機において、試験に先立ってゲインを設定する必要がなく、かつ、そのゲインを試験の進行に伴って自動的に最適化され、なおかつ、制御量の検出値にノイズがあったり、フィルタなどの処理が施されていても、より正確な制御を行うことのできる材料試験機を提供する。【解決手段】モータ２１に供給する回転角速度指令ｄΘ（ｔ）／ｄｔとして、偏差を値Ｋで除した値に比例した値とし、その値Ｋは、モータ２１の変位量θ（ｔ）に対する制御量の検出値Ｆ（ｔ）の比率Ｋ（ｔ）を刻々と算出するとともに、その正確さに係る指標Ｑを求め、その指標Ｑに応じた割合のもとに、算出した比率Ｋ（ｔ）をそれまで用いていた値Ｋの変更に反映させることで、検出値Ｆ（ｔ）のＳ／Ｎが悪くても、その影響を少なくし、正確な制御を可能とする。【選択図】図２
2011153895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片に負荷を加える負荷機構の駆動源としてモータを用い、そのモータを駆動するサーボアンプに対して当該モータの回転角速度指令を刻々と与えるとともに、負荷機構の動作を制御する制御機構を備え、この制御機構は、選択されている制御量の検出値と目標値との偏差に応じて上記サーボアンプに指令として供給すべき回転角速度の大きさを算出する材料試験機において、
上記制御機構は、刻々と求められる下記の値Ｋにより上記偏差を除した値に比例した値を上記サーボアンプに供給すべき回転角速度の大きさとし、
その値Ｋは、上記モータの変位量に対する上記制御量の検出値の比率Ｋ（ｔ）を刻々と算出するとともに、その算出された比率Ｋ（ｔ）の正確さに係る指標を算出し、その指標に応じた割合のもとに、算出した当該比率Ｋ（ｔ）をそれまでに用いていた値Ｋの変更に反映させることを特徴とする材料試験機。
【請求項２】
上記モータの変位量に対する上記制御量の検出値の比率Ｋ（ｔ）は、当該比率Ｋ（ｔ）を算出する時点で採取されている最新の複数個のモータの変位量データおよび制御量の検出値データを用いて回帰分析により求められ、上記正確さの指標は、その回帰分析に用いたデータ相互の決定係数もしくは相関係数であることを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は材料試験機に関し、更に詳しくは、負荷機構の駆動源としてモータを用いた材料試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
負荷機構の駆動源としてモータを用いた材料試験機においては、一般に、テーブル上に２本のねじ棹を回転自在に支持するとともに、その各ねじ棹にナットを介してクロスヘッドの両端部を支持した構造が多用され、モータの回転により各ねじ棹に回転を与えることでクロスヘッドを移動させ、そのクロスヘッドとテーブルにそれぞれ装着された掴み具に両端が把持された試験片に対して負荷を加えるように構成されている。
【０００３】
この種の材料試験機においては、通常、負荷機構の駆動用のモータにはサーボモータが用いられ、試験片に作用する試験力や、試験片の伸び等のうち、制御量に選択されている物理量の刻々の検出値を目標値にフィードバックしてモータを制御する（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
すなわち、例えば試験力が制御量として選択されている場合、その検出値（現在値）と目標値との偏差にＰＩＤ等の演算を施し、その演算結果に応じた値を、駆動用のモータに駆動信号を供給するサーボアンプに対して回転角度指令として与えることにより、モータを制御する。
【０００５】
具体的には、偏差を定数倍（比例ゲイン）した値、同じく偏差の時間微分を定数倍（微分ゲイン）した値、同じく偏差の時間積分を定数倍（積分ゲイン）した値を組み合わせて回転角度指令の大きさを決定している。
【０００６】
ここで、以上のようなモータを負荷機構の駆動源とする材料試験機においては、上記した比例ゲイン、微分ゲインおよび積分ゲインを適正に設定することによって、目標値に正しく追随する正確な材料試験を行うことができるのであるが、系に試験片を含むこともあって、これらの各ゲインは一般的には試行錯誤で設定しているのが実情である。
【０００７】
そのため、特に新規の種類の試験片等の試験に際して、上記の各ゲインの設定には相応の時間を必要とするばかりでなく、オペレータの熟練が必要であるという問題があり、しかも正確な試験を行うことができるという保証はない。
【０００８】
このような問題を解決するため、本発明者は、既に、モータを負荷機構の駆動源とする材料試験機において、制御ゲインの設定に際して熟練を要したり試行錯誤を行ったり、あるいは長時間を要することなく、常に正確な材料試験を行うことのできる材料試験機を提案している（特許文献２参照）。
【０００９】
この提案技術においては、モータを駆動するサーボアンプに対して、モータの回転角速度指令を与えることによって負荷機構の動作を制御する制御機構を有し、この制御機構は、選択されている制御量の検出値と目標値との偏差に応じてサーボアンプに指令として供給すべき回転角速度の大きさを算出する構成において、制御機構では、モータの変位量に対する制御量の検出値の比率を逐次算出し、その算出した比率により偏差を除した値に比例する値を、サーボアンプに供給すべき回転角速度の大きさとする。
【００１０】
すなわち、モータの変位量をθ（ｔ）、制御量、例えば試験力の検出値（現在値）をＦ（ｔ）とし、ｔより一定時間前の時刻ｔ−ｔ0 のモータ変位量θ（ｔ−ｔ0 ）とＦ（ｔ−ｔ0 ）を用いた、
【００１１】
【数１】
2011153895.tif 000003
【００１２】
で表される変化の比率Ｋ（ｔ）を刻々と算出し、その比率Ｋ（ｔ）により、偏差を除した値に比例した値をサーボアンプに供給すべき回転角速度ｄΘ／ｄｔの大きさとする。これを式で表すと、制御量の現在の検出値をＦ（ｔ）とし、その時点における制御量の目標値をＦD （ｔ）として偏差を｛ＦD （ｔ）−Ｆ（ｔ）｝とすると、
【００１３】
【数２】
2011153895.tif 000004
とする。ここで、（２）式においてＡはあらかじめ設定される定数であり、これは、実質的に時定数（偏差の変化量の時定数）の逆数であり、偏差の早い収束を望むならばＡを大きく、遅くてよい場合にはＡを小さくすればよい。
【００１４】
この構成によると、負荷機構の駆動用のモータのアンプに供給される刻々の回転角速度指令の大きさｄΘ／ｄｔの偏差に対する割合が、モータの変位量に対する制御量の検出値の変化の比率に応じて自動的に決定され、その比率が大きい状態では小さく、比率が小さくなれば大きくなるように制御される。換言すれば、上記の比率が大きい場合には比例ゲインが小さく、比率が小さくなれば自動的に比例ゲインが大きく設定され、これにより、試験に先立って試行錯誤的にゲインを設定することなく、常に正確な材料試験を行うことが可能となる。
【００１５】
この特許文献２の提案技術について説明すると、この技術は、制御量とモータの回転角の関係が、瞬時的にはほぼ比例し、かつ、試験の進行に伴い試験片の塑性変形により、その比例定数が変化していくことを前提としている。
【００１６】
すなわち、試験開始当初からのモータの変位量をθ（ｔ）とし、制御量として選択されている例えば試験力の検出値をＦ（ｔ）とすると、
【００１７】
【数３】
2011153895.tif 000005
【００１８】
この（３）式は、制御量である試験力Ｆ（ｔ）はモータの変位量（回転角）θ（ｔ）に比例し、かつ、時間的にＦR （ｔ）が変化することにより厳密には比例関係にはないことを示しており、比例項以外をＦR （ｔ）で表している。図３にこの関係をグラフで例示する。この図３のグラフは、横軸がモータの変位量（試験開始当初を０とした回転角）θであり、縦軸が制御量としての試験力Ｆ（ｔ）の検出値である。
（３）式の両辺を時間微分して、
【００１９】
【数４】
2011153895.tif 000006
【００２０】
ここで、ｄＦR （ｔ）／ｄｔは一般には０にはならず、試験の進行に伴う試験片の特性変化により時間的に変化するパラメータとなるが、一般的には材料特性の変化は比較的ゆっくりとした変化となり、この時間変化量ｄＦR （ｔ）／ｄｔは十分に小さい値となるので、ｄＦR （ｔ）／ｄｔ＝０として取り扱うことが可能となる。
【００２１】
同様に、比率Ｋ（ｔ）も時間的に変化するが変化量は小さいと考え、ｄＫ（ｔ）／ｄｔ＝０とすると、
【００２２】
【数５】
2011153895.tif 000007
【００２３】
ここで、制御入力として、つまりサーボアンプに対する操作量としてモータの回転角速度ｄΘ／ｄｔを用いる場合、実際のモータの回転角速度ｄθ／ｄｔはモータの負荷量に依存して、サーボアンプに供給される回転角速度指令の大きさｄΘ／ｄｔとは完全に等しい値とはならないが、一般的なサーボモータとサーボアンプを用いた場合、十分に近い値となる。
そこで、（５）式を以下のように近似する。
【００２４】
【数６】
2011153895.tif 000008
【００２５】
そして、Ｋ（ｔ）は試験の進行に伴って変化するので、制御量の刻々の検出値とモータの変位量を用いて刻々とＫ（ｔ）を算出し、この算出したＫ（ｔ）と、その時点における偏差を用いて、サーボアンプに供給すべきモータの角速度指令の大きさを、前記した（２）式によって算出する。
この（２）式を（６）式に代入すると、
【００２６】
【数７】
2011153895.tif 000009
となり、
【００２７】
【数８】
2011153895.tif 000010
とおくと、
【００２８】
【数９】
2011153895.tif 000011
となって、Ａは誤差の変化量の時定数を示す。従って、望む時定数を考慮して決定すればよい。例えばＡ＝１とした場合、ステップ応答に対する誤差の時間的変化は、ステップ応答の目的値の時間微分ｄＦ0 ／ｄｔはゼロであることを考慮すると、
【００２９】
【数１０】
2011153895.tif 000012
となり、１秒後の誤差はｅｘｐ（−１）＝０．３６と計算することができる。
【００３０】
この提案技術の採用により、前記したようにオペレータは試験に先立ってゲインを設定する必要がなくなり、しかも、前記した比率は試験中において刻々と算出され、モータのアンプに供給される回転角速度指令の大きさに反映されるため、試験中における試験片の刻々の性状変化に追随して常に最適なゲイン設定が自動的に行われることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３１】
【特許文献１】特開２００２−３６５１８８号公報
【特許文献２】特開２００９−１４４９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
ところで、上記した特許文献２に開示されている提案技術においては、モータの変位量に対する制御量の検出値の比率Ｋ（ｔ）は、一定時間内に採取された最新複数個のモータ変位量と制御量の検出値の比率の平均値、つまり刻々と採取されたモータの変位量と制御量の検出値の比率の時間平均を用いている。
【００３３】
しかしながら、制御量の検出値のＳ／Ｎが悪い場合、以上のようにして求めた変化の比率Ｋ（ｔ）自体もノイズの乗った信号となり、制御にノイズが発生することがあった。
【００３４】
また、モータを動作させても、制御対象の検出信号にフィルタなどの処理が施されている場合、時間的な遅れを含んで信号が変化する場合があり、その遅れが大きい場合、モータを動作させているにもかかわらず、制御パラメータ（制御量の検出値）の変動が小さくなる傾向があり、正確な結果が求まらない時間が発生し、計算結果が正しくなくなる場合があった。
【００３５】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、特許文献２に開示されている技術を用いて、試験に先立ってゲインを設定する必要がなく、かつ、そのゲインを試験の進行に伴って自動的に最適化されるように構成するとともに、なおかつ、制御量の検出値にノイズがあったり、フィルタなどの処理が施されていても、より正確な制御を行うことのできる材料試験機の提供をその課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
上記の課題を解決するため、本発明の材料試験機は、試験片に負荷を加える負荷機構の駆動源としてモータを用い、そのモータを駆動するサーボアンプに対して当該モータの回転角速度指令を刻々と与えるとともに、負荷機構の動作を制御する制御機構を備え、この制御機構は、選択されている制御量の検出値と目標値との偏差に応じて上記サーボアンプに指令として供給すべき回転角速度の大きさを算出する材料試験機において、上記制御機構は、刻々と求められる下記の値Ｋにより上記偏差を除した値に比例した値を上記サーボアンプに供給すべき回転角速度の大きさとし、その値Ｋは、上記モータの変位量に対する上記制御量の検出値の比率Ｋ（ｔ）を刻々と算出するとともに、その算出された比率Ｋ（ｔ）の正確さに係る指標を算出し、その指標に応じた割合のもとに、算出した当該比率Ｋ（ｔ）をそれまでに用いていた値Ｋの変更に反映させることによって特徴付けられる（請求項１）。
【００３７】
ここで、本発明においては、上記モータの変位量に対する上記制御量の検出値の比率Ｋ（ｔ）は、当該比率Ｋ（ｔ）を算出する時点で採取されている最新の複数個のモータの変位量データおよび制御量の検出値データを用いて回帰分析により求められ、上記正確さの指標は、その回帰分析に用いたデータ相互の決定係数もしくは相関係数とする構成（請求項２）を好適に採用することができる。
【００３８】
本発明は、基本的には前記した特許文献２に係る技術を採用しながら、刻々と算出される比率Ｋ（ｔ）をそのまま採用して偏差を除算するのではなく、算出された比率Ｋ（ｔ）の正確さに応じた割合で、その時点で偏差の除算に供している値Ｋを変更することで、課題を解決しようとするものである。
【００３９】
すなわち、本発明においては、偏差を除算して回転角速度指令を求めるための値をＫとしたとき、上記の比率Ｋ（ｔ）を算出するごとに、併せてその正確さに係る指標を算出し、その正確さの指標に応じた割合で、当該算出した変化率Ｋ（ｔ）をそれまでの値Ｋの変更に反映させる。換言すると、前記した特許文献２の技術では、算出した比率Ｋ（ｔ）をそのまま用いていたのに対し、本発明では、比率Ｋ（ｔ）は、その正確さに応じた割合でしか、値Ｋの変更に反映させない。
【００４０】
これにより、制御量の検出値のＳ／Ｎが悪くて正確な比率Ｋ（ｔ）が得られなかっても、その影響を可及的に少なくすることができ、ひいてはより正確な制御を行うことができる。
【００４１】
また、比率Ｋ（ｔ）とその正確さに係る指標の具体的な算出手法としては、請求項２に係る発明の構成を好適に採用することができる。すなわち、比率Ｋ（ｔ）については、その時点で採取されている最新の複数個のモータの変位量データと、制御量の検出値データとを用いて、回帰分析により算出するとともに、その正確さに係る指標は、その回帰分析に用いたデータ相互の決定係数もしくは相関係数とすることができ、この構成の採用により、比較的簡単な計算のもとに比率Ｋ（ｔ）の正確さに係る指標を正しく求めることができる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、モータを負荷機構の駆動源とする材料試験機において、モータをフィードバック制御するためのゲインの設定を行う必要がなく、刻々のモータの変位量（回転量）と制御量の検出値から、刻々の適正なゲインが自動的に算出されて逐次設定されていく。従って、オペレータは、試験に先立って試行錯誤的にゲイン設定を行う必要がなくなり、その手間を省けると同時に、熟練を要することなく、常に正確な材料試験を行うことが可能となる。
【００４３】
しかも、制御量の検出値のＳ／Ｎが悪かったり、あるいはその検出値にフィルタなどの処理が施されて、時間的に遅れて信号が変化するような場合でも、その影響を可及的に少なくすることができ、より正確な制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における試験の制御手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明が適用されるゲインの自動設定技術の原理を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
【００４５】
１  試験機本体
１１  テーブル
１２ａ，１２ｂ  ねじ棹
１３  クロスヘッド
１４ａ，１４ｂ  掴み具
１５  ロードセル
１６  伸び計
２０  負荷機構
２１  サーボモータ
２２ａ，２２ｂ  ウォーム減速機
３０  演算制御部
３０ａ  操作部
３１  ロードアンプ
３２  ストレインアンプ
３３，３４  Ａ−Ｄ変換器
３５  Ｄ−Ａ変換器
３６  サーボアンプ
Ｗ  試験片
【発明を実施するための形態】
【００４６】
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１は本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示し図である。
【００４７】
試験機本体１はテーブル１１の上に２本のねじ棹１２ａ，１２ｂを鉛直姿勢で回動自在に支持し、これらの各ねじ棹１２ａ，１２ｂに、クロスヘッド１３の両端部に固定されているナット（図示せず）をねじ込んだ構造を有している。
【００４８】
クロスヘッド１３およびテーブル１１には、互いに上下に対向するように一対の掴み具１４ａ，１４ｂが取り付けられており、これらの掴み具１４ａ，１４ｂに試験片Ｗの両端部が把持される。
【００４９】
各ねじ棹１２ａ，１２ｂには、負荷機構２０の駆動源であるサーボモータ２１の回転がウォーム減速機２２ａ，２２ｂ等を介して伝達され、これによって各ねじ棹１２ａ，１２ｂが回転する。このねじ棹１２ａ，１２ｂの回転によってクロスヘッド１３が上下動し、引張試験を行う場合には、クロスヘッド１３を上昇させることによって、試験片Ｗに試験力（引張荷重）が負荷される。
【００５０】
試験片Ｗに作用する試験力はロードセル１５によって検出され、また、試験片Ｗの伸びは伸び計１６によって検出され、それぞれロードアンプ３１およびストレインアンプ３２により増幅されたうえで、Ａ−Ｄ変換器３３，３４でデジタル化された後、演算制御部３０に取り込まれる。
【００５１】
演算制御部３０はコンピュータやシーケンサーおよびこれらの周辺機器によって構成され、所定の微小時間ごとにロードセル１５および伸び計１６からの試験力データおよび伸びデータを取り込んでデータ処理を行い、試験力−伸び曲線等の試験データを作成するとともに、取り込んだデータのうち、制御量に設定されているデータと、併せて取り込んだその制御量の目標値とから、サーボモータ２１をフィードバック制御する。また、この演算制御部３０には操作部３０ａが設けられており、この操作部３０ａの操作によって各種指令を与えたり、あるいは下記に示す時定数に対応する定数Ａ等を設定することができる。
【００５２】
サーボモータ２１はサーボアンプ３６から供給される電流により回転駆動するが、そのサーボアンプ３６は演算制御部３０からＤ／Ａ変換器３５を通じて供給される回転角度指令の大きさに応じた電流をサーボモータ２１に供給する。
【００５３】
次に以上の本発明の実施の形態の制御動作手順について、制御量として試験力が選択されている場合を例にとって図２のフローチャートを参照しつつ説明する。
試験の開始と同時に、刻々と試験力データＦ（ｔ）およびサーボモータ２１の変位量θ（ｔ）、並びに目標値ＦD （ｔ）を取り込み、サーボアンプに与えるべき回転角速度指令を算出する。その回転角度指令ｄΘ（ｔ）／ｄｔの計算式は、前記した（２）式に準じた形であり、下記の（１１）式で表される。
【００５４】
【数１１】
2011153895.tif 000013
【００５５】
すなわち、（２）式ではモータの変位量θ（ｔ）に対する制御量（例えば試験力）の検出値Ｆ（ｔ）の比率Ｋ（ｔ）を用いたのに対し、この実施の形態では後述する値Ｋを用いる点で相違する。
【００５６】
ここで、試験開始当初においては、回転角速度指令を算出するための複数のデータが揃っていないため、値Ｋとして、例えばあらかじめ設定されている初期値ＫI を用い、（１１）式により回転角度指令ｄΘ（ｔ）／ｄｔを算出する。
【００５７】
モータの変位量のデータθ（ｔ）と試験力データＦ（ｔ）が、あらかじめ設定されているＮ個に達した後、あるいはモータの変位量θがあらかじめ設定されている量θP に達した後は、その時点までに採取した最新のＮ対のデータ対θi ，Ｆi （ｉ＝１，２，・・Ｎ）について、最小二乗法を用いた回帰分析により、モータの変位量θ（ｔ）に対する制御量（試験力）の検出値Ｆ（ｔ）の変化の比率Ｋ（ｔ）を算出する。すなわち、
【００５８】
【数１２】
2011153895.tif 000014
【００５９】
同時に、Ｋ（ｔ）の確かさに係る指標を算出する。この例では、Ｋ（ｔ）の算出に用いたデータ対θi ，Ｆi （ｉ＝１，２，・・Ｎ）の決定係数Ｑをその指標として採用している。
【００６０】
【数１３】
2011153895.tif 000015
（１２），（１３）式において、θi ，Ｆi （ｉ＝１，２，・・Ｎ）は最新Ｎ個のモータの変位量、試験力の検出値である。
【００６１】
（１３）式で表される決定係数Ｑは、θi とＦi の関係の直線性を表す指標であり、試験力の検出値Ｆi にノイズが乗っている場合等においては低い値となり、ひいては、材料試験機におけるモータの変位量、従ってクロスヘッド１３の移動量と制御量との関係に照らして、Ｋ（ｔ）が正確に算出されている場合は高い値となり、不正確である場合には低い値となる。
【００６２】
このように算出された比率Ｋ（ｔ）とその正確さの指標であるＱを用いて、値Ｋを更新する。このとき、算出された比率Ｋ（ｔ）が正確であればあるほど、値Ｋの更新に対して比率Ｋ（ｔ）を反映させる度合いを大きくする。すなわち、
【００６３】
【数１４】
2011153895.tif 000016
として、更新後の値Ｋを用いて（１１）式を計算し、回転角速度指令ｄΘ（ｔ）／ｄｔを算出してサーボアンプ３６に供給する。
【００６４】
以上の値Ｋの更新の仕方により、モータの変位量θ（ｔ）に対する試験力Ｆ（ｔ）の変化の比率Ｋ（ｔ）を実際に使用する割合を、その正確さに係る指標Ｑに応じて自動的に変化させることで、試験力Ｆ（ｔ）の検出値のＳ／Ｎが悪かったり、フィルタが掛かっていても、その影響を可及的に少なくすることができ、ひいては正確な制御が可能となる。
【００６５】
なお、本発明は、以上の（１１）式により回転角速度指令を求めるほか、この（１１）式に付加的な項を追加することもできる。例えば、フィードフォワード項を追加した下記の（１５）式をより公的に用いることができる。また、速度フィードバック項を追加する場合には、下記の（１６）式を用いればよく、積分項を追加する場合にみ下記の（１７）式を用いればよい。いずれの項においても、前記した値Ｋを用いることで、ゲインの接しいが実質的に不要となり、しかも、制御量の検出値にノイズが乗っている場合等においても、正確な制御が可能となる。なお、（１６）式および（１７）式におけるＢおよびＣは、いずれも前記したＡと同様に任意に設定可能な定数である。
【００６６】
【数１５】
2011153895.tif 000017
【００６７】
【数１６】
2011153895.tif 000018
【００６８】
【数１７】
2011153895.tif 000019
【００６９】
また、以上の実施の形態においては、制御量として試験力を選択した例を示したが、伸び等の他の物理量であっても、上記と同様にＫ（ｔ）とその正確さの指標を刻々と計算し、Ｋ（ｔ）の正確さに応じた割合のもとに、現在の値Ｋを更新し、その更新後の値Ｋで偏差を除した値をモータの回転角速度とすることで、上記と同等の作用効果を得ることができる。
【００７０】
更に、比率Ｋ（ｔ）の正確さの指標としては、上記したように決定係数Ｑを用いるほか、その平方根に相当する相関係数を用いてもよいことは勿論である。
【図１】
2011153895.tif 000020
【図２】
2011153895.tif 000021
【図３】
2011153895.tif 000022