(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷機構を制御するためのフィードバックループを備えたサーボ式材料試験機において、
上記フィードバックループにおける制御量の検出値があらかじめ設定された一定値となったときの上記負荷機構に対する操作信号の大きさを記憶する記憶手段と、オープンループ状態で上記記憶手段に記憶されている信号を上記負荷機構に対してオフセット信号として供給するオフセット信号供給手段と、そのオフセット信号が加えられている状態であらかじめ設定されている矩形波状の設定信号を上記負荷機構に対して追加供給するとともに、その追加供給状態で上記制御量の検出値があらかじめ設定されたリミット値に達した時点で当該設定信号の供給を停止する設定信号供給手段と、その設定信号の追加供給開始から停止までの間の上記制御量の検出値を記憶する応答データ記憶手段と、その応答データ記憶手段の記憶内容を用いてシステムを同定し、その同定結果に基づいて系のゲインを最適に設定する演算手段を備えていることを特徴とする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】
本発明はサーボ式の材料試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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に対して、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フィードバックすることにより、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サーボ式材料試験機においては、フィードバックループのゲイン調整は、試験片を含めた系の安定性を得るうえで重要な作業となる。すなわち、図４に目標値として矩形波を用いた場合の系の応答特性を例示するように、ゲインが大きすぎると過応答による発振現象が生じるとともに、ゲインが小さすぎると応答不足によって目標値に対する追随性が悪くなり、いずれの場合も意図する試験を行うことができなくなるため、常に最適なゲインに調整をしたうえで試験を行う必要がある。
【０００４】
このようなフィードバックループのゲイン調整方法としては、従来、オープンループの状態で系にランダムノイズを入力して、その入力と出力（制御量の検出値）との相関を求めて、系を同定した後に最適なゲインを求める方法が一般的に知られている。
【０００５】
また、他のゲイン調整方法として、例えば特開平１１−２０１８８８号公報に開示されているように、目標値の信号を与えつつフィードバックループのゲインを変化させ、系の応答、つまり制御量の検出値の変化を調べ、その検出値が目標値に最も近くなるゲインを最適ゲインとして設定する方法が知られており、この方法においては、ゲイン調整の自動化が容易である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した従来のゲイン調整方法のうち、オープンループの状態で系にランダムノイズを入力して入・出力の相関を求めて系を同定し、最適ゲインを求める方法は、過大な負荷が試験片に作用してダメージを与える可能性があるとともに、系の同定のためにＦＦＴを用いて伝達関数を求めるなど、計算の負荷が大きいという問題がある。
【０００７】
一方、系に目標値を与えつつフィードバックループのゲインを変化させてその応答の変化を調べ、最適なゲインを求める方法においても、系のゲインを高くしすぎると過応答によってハンチング現象が生じ、試験片にダメージを与える可能性があり、しかも、この方法では最適なゲインを求めるためにはその最適ゲインを挟んで高低両側にゲインを変化させる必要があるため、過応答に起因して試験片にダメージを与えてしまう可能性は少なくない。
【０００８】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、試験片にダメージを与えることなく、しかも複雑な計算を行うことなく系のゲインを最適に設定することのできるサーボ式材料試験機の提供を目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明のサーボ式材料試験機は、負荷機構を制御するためのフィードバックループを備えたサーボ式材料試験機において、上記フィードバックループにおける制御量の検出値があらかじめ設定された一定値となったときの上記負荷機構に対する操作信号の大きさを記憶する記憶手段と、オープンループ状態で上記記憶手段に記憶されている信号を上記負荷機構に対してオフセット信号として供給するオフセット信号供給手段と、そのオフセット信号が加えられている状態であらかじめ設定されている矩形波状の設定信号を上記サーボ弁に対して追加供給するとともに、その追加供給状態で上記制御量の検出値があらかじめ設定されたリミット値に達した時点で当該設定信号の供給を停止する設定信号供給手段と、その設定信号の追加供給開始から停止までの間の上記制御量の検出値を記憶する応答データ記憶手段と、その応答データ記憶手段の記憶内容を用いてシステムを同定し、その同定結果に基づいて系のゲインを最適に設定する演算手段を備えていることによって特徴づけられる。
【００１０】
本発明は、オープンループの状態で広い周波数スペクトルを持つ矩形波を系に入力してその応答出力を記憶して系の同定に供することで、所期の目的を達成しようとするものである。
【００１１】
すなわち、オープンループ状態で矩形波状の設定信号を系に入力することにより、クローズドループ状態で目標値を与えながらゲインを変化させる前記した後者の従来技術のようにハンチングを起こすことがないため、試験片にダメージを与える危険性がない。
【００１２】
また、オープンループ状態で系にランダムノイズを加えて系の同定を行う前者の従来技術においては、試験片に作用する荷重を制限できないが、本発明では、制御量があらかじめ設定されている一定値となるオフセット信号をオープンループ状態で供給し、その状態で矩形波状の設定信号を追加供給して、制御量がリミット値に達した時点でその供給を停止するため、試験片に作用する荷重を制限しており、試験片に過度なダメージを与える恐れがなく、しかも、ラプラス変換した式により系をモデル化できるために、ＦＦＴを用いて系の伝達関数を求めるなどの複雑な計算を行うことなく、系の同定を行うことが可能となり、計算の負荷も少なくて済むという利点がある。
【００１３】
【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１は本発明の実施の形態の全体構成図であり、図２はそのシステム構成の詳細を示すブロック図である。
【００１４】
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。
【００１５】
テーブル１１には負荷機構１４が設けられており、この負荷機構１４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２を介して上掴み具１５ｂが装着されており、試験片Ｗ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。
【００１６】
すなわち、上下の掴み具１５ａ，１５ｂに両端部が把持された試験片Ｗは、負荷機構１４の駆動により負荷が加えられるとともに、試験片Ｗに作用する荷重はロードセル２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。
【００１７】
ロードセル２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、図２に示すように、目標値信号を発生するための波形発生装置５１、ＰＩＤ調節器５２、後述するオフセット信号を記憶し、かつ、発生するオフセット信号発生装置５３、同じく後述する設定信号を発生する設定信号発生装置５４、制御量として設定されている検出器、つまり上記したロードセル２もしくは変位計４による制御量の検出信号を後述するタイミングで記憶するデジタル記録装置５５、そのデジタル記録装置５５の記憶内容を用いて系の同定並びに最適ゲインの調整を行う演算器５６、系をクローズドループもしくはオープンループの状態にするためのスイッチ５７、検出器（２または４）による制御量の検出値をＰＩＤ調節器５２の前段に帰還させるための加算点５８並びに帰還回路５９を備えている。なお、これらのうちのいくつかは、実際にはコンピュータとその周辺機器によって構成され、コンピュータにインストールされているプログラムが有する機能であるが、図２においては、説明の便宜上、そのプログラムが有する機能ごとに一つのブロックで示している。
【００１８】
設定信号発生装置５４は、あらかじめ設定された矩形波状の設定信号を記憶しているとともに、あらかじめ設定されている制御量の検出値のリミット値を記憶しており、設定信号の出力状態においては、制御量の検出値を常に監視し、その値がリミット値に達した時点で設定信号の出力を停止するようになっている。
【００１９】
次に、以上の本発明の実施の形態の動作について述べる。
試験に先立ち、制御量を選択する。図１の例では、ロードセル２により検出される荷重か、あるいは変位計４により検出される変位のいずれかを選択する。これにより、図２における検出器のブロックがロードセル２もしくは変位計４に設定される。
【００２０】
通常の制御状態においては、波形発生装置５１からの目標値信号がＰＩＤ調節器５２に供給されるとともに、スイッチ５７がＰＩＤ調節器５２側に倒され、これによって検出器（２または４）による制御量の検出値が帰還回路５９並びに加算点５８を介してＰＩＤ調節器５２の前段にフィードバックされ、ＰＩＤ調節器５２ではその偏差をあらかじめ設定されているゲインに基づいて調節して操作信号を生成し、負荷機構１４に供給する。
【００２１】
ゲイン調整に際しては、以下に示すようにクローズドループ状態からオープンループ状態に切り換え、矩形波状の設定信号を供給して系の同定を行ったうえで、最適ゲインを求める。図３にゲイン調整時におけるサーボ弁３への入力信号と出力信号（制御量の検出値、以下、単に出力信号と称する）の関係をグラフで例示する。
【００２２】
さて、ゲイン調整に際しては、ＰＩＤ調節器５２のゲインを低い状態に設定した状態で、まず、スイッチ５７を下側、つまりＰＩＤ調節器５２側に倒してクローズドループ状態として、波形発生装置５１からあらかじめ設定されている一定値の信号を供給する。この信号の大きさは、制御量の検出値があらかじめ設定された一定値、例えば荷重が０あるいはその近傍の小さい値、となるような大きさとされ、この信号の大きさはオフセット信号発生装置５３に記憶される。そして、制御量の検出値がその設定された一定値に達して負荷機構１４が静止して定常状態に達した時点で、スイッチ５７を上側に切り換える。これにより、系はオープンループ状態となるとともに、オフセット信号発生装置５３から、先に記憶している信号がオフセット信号としてサーボ弁３に供給される。従って、このスイッチ５７の切り換え時において、負荷機構１４は静止状態を保つ。図３のグラフにおいては、この切り換え時点をｔ0 で表しており、オフセット信号の供給状態における制御量の検出値（出力信号）を０とした場合を表している。
【００２３】
次に、設定信号発生装置５から矩形波状の設定信号を負荷機構１４に対して追加供給する。この設定信号の供給開始時点は図３においてｔ1 で示され、この時点から出力信号が立ち上がる。設定信号発生装置５は前記したように出力信号を監視しており、その出力信号がリミット値に達した時点で設定信号の追加供給を停止し、オフセット信号のみの供給状態とする。この設定信号の供給停止時点は図３においてｔ2 で示され、このｔ 1〜ｔ2 間の設定信号の追加供給中における出力信号は、デジタル記憶装置５５に逐次記憶される。
【００２４】
設定信号の供給停止から、系がある程度定常化する所定時間が経過した後、スイッチ５７をＰＩＤ調節器５２側に切り換える（ｔ3 ）。これにより再びフィードバックループが形成され、系は元の状態に戻る。
【００２５】
以上の動作の後、演算器５６では、デジタル記憶装置５５に記憶されている応答データを用いて、系の同定を行い、その結果に基づいて系の最適ゲインを決定してＰＩＤ調節器５２に設定する。系の同定に当たっては、上記のようにオープンループで矩形波状の設定信号を供給し、そのときの応答を得る方法を採用しているので、系はラプラス変換した下記の（１）式によってモデル化できる。
【００２６】
【数１】
0004352201.tif 000002
【００２７】
従って、（１）式におけるＲ，Ｌ，Ｔを決めることが、系を同定することになる。（１）式におけるＧ（ｓ）を時間領域に直すと、
【００２８】
【数２】
0004352201.tif 000003
【００２９】
で表すことができる。この（２）式におけるＧ（ｔ）とデジタル記憶装置５５に記憶されている実際の応答を比較して、Ｒ，Ｌ，Ｔを決定する。Ｒ，Ｌ，Ｔが決まれば、前もってシミュレーションで求めて記憶している係数表に照らし合わせて、ＰＩＤの最適のゲインを決定することができる。
【００３０】
以上の実施の形態において特に注目すべき点は、試験片Ｗに作用する最大負荷を前もって設定したうえで、オープンループ状態で矩形波状の設定信号を負荷機構１４に供給し、そのときの応答から系を同定する点であり、従って試験片に対してダメージを与える危険性がなく、しかもＦＦＴを用いた伝達関数の算出といった複雑な計算が不要であるため、演算器５６に大きな負荷をかけることなく素早く系を同定して最適ゲインを決定することが可能となる。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、制御量の検出値があらかじめ設定された適宜値を採るオフセット信号をオープンループ状態のもとにサーボ弁に供給し、その状態で矩形波状の設定信号の追加供給を開始し、制御量があらかじめ設定されているリミット値に達した時点でその設定信号の供給を停止するとともに、その設定信号を供給している間の制御量の検出値を記憶して、その記憶内容に基づいて系の同定を行うので、試験片に作用する負荷の最大値を規定することができるが故に従来のように試験片に意図しないダメージを与える危険性がなくなるとともに、系の同定に際してＦＦＴを用いて伝達関数を求める必要がないが故に複雑な計算を必要とせず、簡単な演算によって系を同定して最適ゲインを自動的に設定することができ、ゲイン調整を素早く行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の全体構成図である。
【図２】本発明の実施の形態のシステム構成の詳細を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態のゲイン調整時におけるサーボ弁３への入力信号と制御量の検出値の関係を示すグラフである。
【図４】フィードバックループのゲインの大小と系の応答の関係の一般的な例を示すグラフである。
【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  負荷機構
１５ａ，１５ｂ  掴み具
２  ロードセル
４  変位計
５  制御装置
５１  波形発生装置
５２  ＰＩＤ調節器
５３  オフセット信号発生装置
５４  設定信号発生装置
５５  デジタル記録装置
５６  演算器
５７  スイッチ
５８  加算点
５９  帰還回路
Ｗ  試験片
【図１】
0004352201.tif 000004
【図２】
0004352201.tif 000005
【図３】
0004352201.tif 000006
【図４】
0004352201.tif 000007