(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーボバルブにより作動される液圧アクチュエータで材料試験片に負荷を加え、この負荷をセンサで検出し、制御目標入力信号とセンサからの検出信号との差信号に比例定数を乗算し、この乗算信号をサーボバルブに入力している材料試験装置における制御方法において、
前記比例定数を、前記差信号の絶対値が増大するにつれて大きくなる様に変化させ、サーボバルブおよび液圧アクチュエータの組み合わせにおける入出力の比例特性と、前記比例定数との積が、前記差信号の変化に係わらず、略一定となるようにしたことを特徴とする材料試験装置における制御方法。
【請求項２】
制御目標入力信号を生成する制御目標入力信号発生手段と、
材料試験片に加わる負荷を検出するセンサと、
前記制御目標入力信号とセンサからの検出信号との差信号を出力する加算部と、
この加算部からの差信号の絶対値が増大するにつれて大きくなる定数を生成する定数発生部と、
前記差信号に、前記定数発生部からの定数を乗算する調整部と、
前記調整部からの乗算信号が入力されるサーボバルブと、
このサーボバルブにより作動して、前記材料試験片に負荷を加える液圧アクチュエータとを有し、
サーボバルブおよび液圧アクチュエータの組み合わせにおける入出力の比例特性と、前記比例定数との積が、前記差信号の変化に係わらず、略一定であることを特徴とする材料試験装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料試験装置における制御方法および材料試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の材料試験装置を図４および図５を用いて説明する。図４は従来の材料試験装置の構成例を示すブロック図である。図５はサーボバルブおよび液圧アクチュエータの組み合わさったものの入出力のグラフである。
【０００３】
図４において、制御目標入力信号発生手段としての目標値発生器１は、制御目標入力信号Ｅｉを出力する。この目標値発生器１の制御目標入力信号Ｅｉは、加算部２に出力されている。一方、加算部２の出力Ｅｒは、調整部３で比例定数Ｋｐが乗算されて、サーボバルブ入力信号ｉとなり、デジタルアナログ変換部（Ｄ／Ａ）４を介して、破線で囲まれて図示されているプラント部（試験機）６のサーボバルブ（Ｓ／Ｖ）７に入力されている。このサーボバルブ７により油圧アクチュエータ（ＡＣＴ）８が作動し、負荷手段としてのプラント部６にセッティングされた試験片９に負荷としての荷重が加えられ、試験が行われている。この試験片９に加えられた荷重は、ロードセル（Ｌ／Ｃ）などのセンサ１１で検出されている。このセンサ１１の出力信号Ｆは、比例定数Ｋｓを有するセンサ用アンプ１２で増幅されて負荷検出信号Ｅｆとなり、アナログデジタル変換部（Ａ／Ｄ）１３を介して、加算部２に入力されている。そして、加算部２は制御目標入力信号Ｅｉと負荷検出信号Ｅｆとの差信号Ｅｒを、前述のように調整部３に出力している。この様にして、ダイレクトデジタルコントロール（ＤＤＩ）システムのサーボループが構成されている。
【０００４】
サーボバルブ７には、圧力Ｐｓなる油圧が供給され、略０圧である圧力Ｐｄで排出されている。そして、サーボバルブ７に前述のサーボバルブ入力信号ｉが入力されると、液圧アクチュエータとしての油圧アクチュエータ８が作動し、試験片９に負荷を加える。すると、センサ１１から出力信号Ｆが出力される。このサーボバルブ入力信号ｉと出力信号Ｆとの関係は非線形で、静的な状態で観測した特性は図５に図示するグラフの様になる。すなわち、サーボバルブ入力信号ｉの絶対値が小さな場合には、センサ１１からの出力信号Ｆの変化は大きく、一方、サーボバルブ入力信号ｉの絶対値が大きい場合には、センサ１１からの出力信号Ｆの変化は小さくなっている。この様な特性は、サーボバルブ７のスプールの変位はサーボバルブ入力信号ｉに略比例しているが、油圧アクチュエータ８の出力圧はスプールの変位に比例しないために生じており、サーボバルブ７を採用した際に生じる特有の現象である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、調整部３の比例定数Ｋｐを設定する際には、先ず、目標荷重として、０近辺の繰り返し荷重を材料試験装置で発生させる。そして、システム系が不安定ではなく（すなわち、発振せず）、最適応答となる様に比例定数Ｋｐを調整する。この比例定数Ｋｐの設定の際には、図５において、動作点Ａは０近辺であり、サーボバルブ７および油圧アクチュエータ８を組み合わせたものの利得Ｆ／ｉ（ｓ）は、大きくなっている。また、図４において、安定度（応答性）を決定する閉ループの利得は、積値Ｋｓ・Ｋｐ・Ｆ／ｉ（ｓ）である。なお、Ｆ／ｉ（ｓ）は、サーボバルブ７、油圧アクチュエータ８および試験片９などの利得で、周波数の関数であり、繰り返しの負荷などの変化する負荷を加えると、時間遅れが発生する。したがって、上記積値を過大にするとシステムは不安定となる。そして、システムが安定している際の最大の積値すなわち固有値をＫｔとする。なお、この固有値はサーボバルブ７の周波数特性には依存している。したがって、最適なシステムでは、式：Ｋｔ＝Ｋｓ・Ｋｐ・Ｆ／ｉ（ｓ）が成立し、利得Ｆ／ｉ（ｓ）が大きいと、比例定数Ｋｐは小さくする必要がある。一方、材料試験時には、サーボバルブ入力信号ｉは０近辺だけではなく、大きくなり、たとえば、動作点が図５に図示するＢになることがある。この動作点Ｂにおいては、動作点Ａよりも、利得Ｆ／ｉ（ｓ）が小さくなっている。したがって、比例定数Ｋｐを動作点Ａで調整して固定すると、材料試験装置の応答特性が動作点Ａと動作点Ｂとで異なることになる。また、動作点Ｂにおいては、比例定数Ｋｐを大きくしても、材料試験装置は安定して作動することになる。
【０００６】
そして、この材料試験装置は、前述のようにＤＤＩシステムで構成され、比例定数Ｋｐは、たとえば、１６ｂｉｔシステムで構成され、Ｋｐ＝１の時に調整部３の入力および出力が１６Ｂｉｔの範囲（いわゆるフルレンジ）を持ち、サーボバルブ７が定格開度開くことができる。もし、この比例定数Ｋｐが小さな値たとえば０．１に設定されると、調整部３は、入力がフルレンジであっても、出力は１／１０となるので、定格の約１／１０しか出力することができなくなり、サーボバルブ７も定格開度の約１／１０しか開かないこととなる。したがって、比例定数Ｋｐはできるだけ大きくして、サーボバルブ入力信号ｉの出力を増大させたい。
【０００７】
本発明は、以上のような課題を解決するためのもので、サーボバルブ入力信号を極力大きくし、かつ、安定して作動することができる材料試験装置における制御方法および材料試験装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の材料試験装置における制御方法は、サーボバルブ（７）により作動される液圧アクチュエータ（８）で材料試験片（９）に負荷を加え、この負荷をセンサ（１１）で検出し、制御目標入力信号（Ｅｉ）とセンサからの検出信号（Ｅｆ）との差信号（Ｅｒ）に比例定数（Ｋｐ）を乗算し、この乗算信号をサーボバルブに入力している。そして、前記課題を解決するために、前記比例定数を、前記差信号の絶対値が増大するにつれて大きくなる様に変化させ、サーボバルブおよび液圧アクチュエータの組み合わせにおける入出力の比例特性と、前記比例定数との積が、前記差信号の変化に係わらず、略一定となるようにしている。
【０００９】
また、本発明の材料試験装置は、制御目標入力信号を生成する制御目標入力信号発生手段（１）と、材料試験片に加わる負荷を検出するセンサと、前記制御目標入力信号とセンサからの検出信号との差信号を出力する加算部（２）と、この加算部からの差信号の絶対値が増大するにつれて大きくなる定数を生成する定数発生部（１６）と、前記差信号に、前記定数発生部からの定数を乗算する調整部（３）と、前記調整部からの乗算信号が入力されるサーボバルブと、このサーボバルブにより作動して、前記材料試験片に負荷を加える液圧アクチュエータとを有している。そして、サーボバルブおよび液圧アクチュエータの組み合わせにおける入出力の比例特性と、前記比例定数との積は、前記差信号の変化に係わらず、略一定でとなっている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明における材料試験装置における制御方法および材料試験装置の実施の一形態を説明する。図１は本発明の材料試験装置の実施の一形態の構成を示すブロック図である。図２は入出力特性のグラフで、（ａ）が差信号Ｅｒとサーボバルブ入力信号ｉとのグラフ、（ｂ）が差信号Ｅｒとセンサからの出力信号Ｆとのグラフである。図３は複数のフィードバック回路を設けた場合のブロック図である。なお、この実施の形態の説明において、前記図４および図５に図示する従来例の構成要素に対応する構成要素には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００１１】
図４に図示する従来の調整部３は、比例定数Ｋｐが一定に固定されているが、図１に図示する本発明の実施の形態では、比例定数Ｋｐは可変である。すなわち、目標値発生器１が生成する制御目標入力信号Ｅｉとセンサ１１からの負荷検出信号Ｅｆとの差信号Ｅｒは、調整部３および定数発生部１６に入力されている。定数発生部１６では、差信号Ｅｒの絶対値が大きくなるにつれて、増大する比例定数Ｋｐが生成されており、この比例定数Ｋｐが調整部３に設定される。調整部３は比例定数Ｋｐと差信号Ｅｒとの積をサーボバルブ入力信号ｉとして出力している。そして、差信号Ｅｒとサーボバルブ入力信号ｉとの関係は、図２（ａ）に図示する様に、差信号Ｅｒの絶対値が大きくなるにつれて、サーボバルブ入力信号ｉの絶対値の変化率が大きくなっている。サーボバルブ入力信号ｉは図４に図示する従来例と同様に、サーボバルブ７に入力され、油圧アクチュエータ８が作動する。この際のサーボバルブ入力信号ｉとセンサ１１の出力信号Ｆとの関係は、図５のグラフに図示したようになっている。そして、差信号Ｅｒと出力信号Ｆとの関係は、図２（ａ）の差信号Ｅｒとサーボバルブ入力信号ｉとの関係および、図５のサーボバルブ入力信号ｉと出力信号Ｆとの関係を総合して形成され、線型となり、図２（ｂ）に図示する様に略直線状となっている。
【００１２】
すなわち、定数発生部１６は、Ｆ／ｉ（ｓ）の逆関数である比例定数Ｋｐを出力している。〔Ｆ／ｉ（ｓ）〕×Ｋｐ＝略一定である。この比例定数Ｋｐのデーターは、テーブルにして定数発生部１６に設定し、このテーブルの値に定数ａ１を乗算して生成することも可能であるし、比例定数Ｋｐ＝ａ２×Ｅｒ×Ｅｒなどの式を演算することにより生成することも可能である。この定数ａ１および定数ａ２の最適値は、試験片９や負荷の周波数などで変化するので、材料試験を行う前に、前もって設定する。
【００１３】
さらに、図３に図示する様に、フィードバック回路を複数設け、切換スイッチ２０で切り換えて使用することも可能である。第１のセンサ１１は荷重を検出しており、第１のセンサ１１が配置されている荷重用フィードバック回路は、荷重を制御している。一方、第２のセンサ３１は、油圧アクチュエータ８の先端部の変位を検出しており、第２のセンサ３１が配置されている変位用フィードバック回路は、変位すなわち試験片９の変形量を制御している。この変位用のフィードバック回路にも、センサ用アンプ３２、アナログデジタル変換部３３、加算部２２、定数発生部３６、調整部２３、デジタルアナログ変換部２４が、荷重用のフィードバック回路と同様に設けられている。
【００１４】
この様に構成されている実施の形態において、定数発生部１６の比例定数Ｋｐを設定する際には、先ず、目標荷重として、０近辺の繰り返し荷重を材料試験装置で発生させる。そして、システム系が不安定ではなく（すなわち、発振せず）、最適応答となる様に比例定数Ｋｐすなわち前述の定数ａ１または定数ａ２を調整する。この調整の際には、差信号Ｅｒは小さい。そして、材料試験中は、比例定数Ｋｐの設定の際とは異なり、差信号Ｅｒが大きくなることがあるが、差信号Ｅｒが大きくなると、前述の様に、比例定数Ｋｐは増大する。したがって、動作点が図５に図示するＢになり、動作点Ａよりも、利得Ｆ／ｉ（ｓ）が小さくなっても、比例定数Ｋｐが大きくなり、差信号Ｅｒに対する出力信号Ｆの比は略一定となっている。また、サーボバルブ入力信号ｉの最大値を、図４に図示する従来例のものよりも大きくすることができる。その結果、試験片９に加える負荷を大きくすることが可能となる。
【００１５】
ところで、従来のものでは、フィードバック回路を複数設けた際に、たとえば、一方のフィードバック回路の比例定数Ｋｐが、他方のフィードバック回路の比例定数Ｋｐよりも小さくて、両フィードバック回路のサーボバルブ入力信号ｉの最大値が大きく異なることがある。そのため、他方のフィードバック回路から一方のフィードバック回路に切り換えた際に、他方のフィードバック回路におけるサーボバルブ入力信号ｉの出力値が最大値に近いと、切り換え後、一方のフィードバックのサーボバルブ入力信号ｉは最大値を出力したとしても、他方のフィードバック回路のサーボバルブ入力信号ｉの出力値よりもかなり小さくなり、ショックが発生することがある。しかしながら、実施の形態では、従来のものに比して、サーボバルブ入力信号ｉは、定格近くまで出力することができるので、一方のフィードバック回路のサーボバルブ入力信号ｉの最大値と、他方のフィードバック回路のサーボバルブ入力信号ｉの最大値とが大きく異なることを極力防止することができる。その結果、フィードバック回路を切り換えた際に、ショックが発生することを極力防止することができる。
【００１６】
なお、センサが検出する負荷は、荷重以外のもの、たとえば、変位でも可能である。また、調整部３に積分要素や微分要素を入れることも可能である。その際には、積分要素や微分要素の出力値は、比例要素の出力値に対して小さくすることが好ましい。また、積分要素や微分要素の出力値が大きい場合には、定数発生部１６が生成する比例定数Ｋｐを、積分要素や微分要素の出力値により補正する必要がある。液圧アクチュエータは油圧以外の液圧で駆動されることが可能である。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、制御目標入力信号とセンサからの検出信号との差信号に乗算される比例定数を、差信号の絶対値が増大するにつれて大きくなる様に変化させている。そして、サーボバルブおよび液圧アクチュエータの組み合わせにおける入出力の比例特性と、前記比例定数との積が、前記差信号の変化に係わらず、略一定となるようにしている。したがって、差信号が０付近で比例定数を設定し、比例定数が小さくなっていても、差信号の絶対値が増大すると、この比例定数が増大するので、サーボバルブ入力信号を極力大きくすることができる。また、差信号の大きさが異なっていても、材料試験装置の応答特性が略一定となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の材料試験装置の実施の一形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は入出力特性のグラフで、（ａ）が差信号Ｅｒとサーボバルブ入力信号ｉとのグラフ、（ｂ）が差信号Ｅｒとセンサからの出力信号Ｆとのグラフである。
【図３】図３は複数のフィードバック回路を設けた場合のブロック図である。
【図４】図４は従来の材料試験装置の構成例を示すブロック図である。
【図５】図５はサーボバルブおよび液圧アクチュエータの組み合わさったものの入出力のグラフである。
【符号の説明】
Ｅｆ  負荷検出信号
Ｅｉ  制御目標入力信号
Ｅｒ  差信号
Ｋｐ  比例定数
１  目標値発生器（制御目標入力信号発生手段）
２  加算部
３  調整部
７  サーボバルブ
８  油圧アクチュエータ（液圧アクチュエータ）
９  試験片
１１  センサ
１６  定数発生部
【図１】
0003825200.tif 000002
【図２】
0003825200.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003825200.tif 000005
【図５】
0003825200.tif 000006