JPH06123686A - 材料試験機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 試験波形の周波数に応じてフィードバック制
御の演算増幅処理の実行時間間隔を変更し、低周波数領
域における制御精度を向上させる。 【構成】 試験波形の設定周波数に応じてフィードバッ
ク制御の演算増幅処理の実行時間間隔を設定し、この時
間間隔内で供試体１００の物理量のＡ／Ｄ変換が複数回
行われた時はそれらの平均値を算出するとともに、その
平均値と試験波形に対してフィードバック制御の演算増
幅処理を行い、負荷手段１０１の操作量を演算して供試
体１００を負荷する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は材料試験機に関し、特に
デジタルフィードバック制御を採用する試験機の制御精
度を改善するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、図４に示すようなフィードバ
ック制御系を応用した電気油圧サーボ式材料試験機が知
られている。図４に示すフィードバック制御系は、任意
に時間的に変化する目標値に制御量を追従させるサーボ
系であり、且つマイクロコンピュータ（以下、ＣＰＵと
呼ぶ）により演算増幅処理を行うデジタル制御系であ
る。ファンクションジェネレータ１は、供試体２を負荷
する荷重や変位などの試験波形のデジタル指令信号を生
成する。このデジタル指令信号はＤ／Ａ変換器３により
アナログ指令信号に変換され、アクチュエータ４のサー
ボバルブ５へ出力される。サーボバルブ５はこのアナロ
グ指令信号に従ってバルブの開閉を行い、アクチュエー
タ４への圧油の流量を制御して供試体２を負荷する。

【０００３】一方、供試体２に負荷された荷重や変位は
ロードセルや変位計などの検出器６により検出され、増
幅器７で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器８によりデジタル
信号に変換される。この検出信号はフィードバック信号
として加算器９でファンクションジェネレータ１からの
指令信号と比較され、制御偏差が求められる。ＣＰＵ１
０はこの制御偏差に演算増幅処理を行い、制御対象の供
試体２を負荷するアクチュエータ４の操作量を算出す
る。ここで、演算増幅処理とはフィードバック制御系の
応答性や制御精度などを調節するための周知のＰＩＤ制
御などの処理をいう。算出された操作量は、Ｄ／Ａ変換
器３によりアナログ信号に変換されてサーボバルブ５へ
出力され、サーボバルブ５はこの操作量に従ってバルブ
の開閉を行い、アクチュエータ４への圧油の流量を制御
して供試体２を負荷する。すなわち、フィードバック制
御により供試体２に負荷される荷重や変位などの制御量
をそれらの目標値に追従させている。

【０００４】ここで、ＣＰＵ１０は所定の時間間隔で図
５に示す制御プログラムを実行し、Ｄ／Ａ変換器３、Ａ
／Ｄ変換器８および加算器９を制御して演算増幅処理を
行う。まずステップＳ１において、Ａ／Ｄ変換器８を制
御して検出器６により検出され、増幅器７により増幅さ
れた荷重や変位などの制御量をＡ／Ｄ変換し、続くステ
ップＳ２で、ファンクションジェネレータ１から試験波
形の指令信号を読み込む。ステップＳ３では加算器９を
制御して指令信号と検出信号との制御偏差を算出し、さ
らにこの制御偏差に演算増幅処理を行って操作量を算出
する。ステップＳ４でＤ／Ａ変換器３を制御して操作量
をアナログ信号に変換し、アクチュエータ４のサーボバ
ルブ５へ出力する。

【０００５】従来の電気油圧サーボ式材料試験器のデジ
タルフィードバックサーボ系では、例えば１００μＳの
時間間隔で上記制御プログラムを実行し、目標値と、制
御量の検出信号のＡ／Ｄ変換値に対してフィードバック
制御の演算増幅処理を行っている。これによって、周波
数の高い試験波形に対する材料試験、すなわち高速での
材料試験を可能にしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電気油圧サーボ式材料試験機では、高速の材料試験を実
行するために短い時間間隔でフィードバック制御の演算
増幅処理を行っているので、制御量の検出信号をＡ／Ｄ
変換した値がそのままフィードバック信号としてフィー
ドバック制御の演算増幅処理に用いられ、検出信号にノ
イズなどの外乱成分が混入しているとその影響がそのま
ま演算結果の操作量に現われ、制御精度が低下するとい
う問題がある。

【０００７】ところで、この問題は試験波形の周波数の
高低に関わらず発生する。高周波領域では、このような
問題があっても、高速の材料試験を行うために短い時間
間隔でフィードバック制御の演算増幅処理を行う必要が
ある。しかし、低周波領域では、短い時間間隔でフィー
ドバック制御の演算増幅処理をする必要はない。

【０００８】本発明の目的は、試験波形の周波数に応じ
てフィードバック制御の演算増幅処理の実行時間間隔を
変更し、低周波数領域における制御精度を向上させるこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】クレーム対応図である図
１に対応づけて本発明を説明すると、本発明は、供試体
１００を負荷する負荷手段１０１と、供試体１００を負
荷する際の基準となる物理量の試験波形を発生する試験
波形発生手段１０２と、負荷された供試体１００から物
理量を検出する物理量検出手段１０３と、この物理量検
出手段１０３の検出結果をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手
段１０４と、試験波形発生手段１０２の試験波形とＡ／
Ｄ変換手段１０４の変換出力に対してフィードバック制
御の演算増幅処理を行い、負荷手段１０１の操作量を演
算する演算手段１０５とを備えた材料試験機に適用され
る。そして、試験波形発生手段１０２から発生される試
験波形の設定周波数に応じて演算手段１０５による演算
増幅処理の実行時間間隔を設定する時間間隔設定手段１
０６と、この時間間隔設定手段１０６で設定された時間
間隔内でＡ／Ｄ変換手段１０４によるＡ／Ｄ変換が複数
回行われた時は、複数回の変換出力の平均値を算出する
平均値算出手段１０７とを備え、演算手段１０５によっ
て、試験波形発生手段１０２の試験波形と平均値算出手
段１０７の平均値に対してフィードバック制御の演算増
幅処理を行い、負荷手段１０１の操作量を演算すること
により、上記目的を達成する。

【００１０】

【作用】試験波形の設定周波数に応じてフィードバック
制御の演算増幅処理の実行時間間隔を設定し、この時間
間隔における供試体１００の物理量の複数回のＡ／Ｄ変
換結果の平均値を算出するとともに、その平均値と試験
波形に対してフィードバック制御の演算増幅処理を行
い、負荷手段１０１の操作量を演算して供試体１００を
負荷する。

【００１１】

【実施例】図２は一実施例の構成を示す。図において、
２０は試験機本体で、支柱２０ｇに上下移動可能に取り
付けたクロスヘッド２０ｂと、このクロスヘッド２０ｂ
にロードセル２２を介して取り付けた上部治具２０ｃ
と、基台２０ｄ内に設置した荷重負荷用のアクチュエー
タ２０ｅと、このアクチュエータ２０ｅの可動部に取り
付けた下部治具２０ｆとを備え、下部治具２０ｆと上部
治具２０ｃとの間には供試体２１が介在されている。２
３はアクチュエータ２０ｅのストローク、すなわち荷重
時の変位を検出する作動トランスである。３０はメモリ
などの周辺部品を有するＣＰＵであり、後述する制御プ
ログラムを実行してフィードバック制御を行う。このＣ
ＰＵ３０には、増幅器３１およびＡ／Ｄ変換器３２を介
してロードセル２２が接続され、増幅器３３およびＡ／
Ｄ変換器３４を介して作動トランス２３が接続される。
また、ＣＰＵ３０にはＤ／Ａ変換器３５および増幅器３
６を介してアクチュエータ２０ｅのサーボバルブ２０ｅ
１が接続され、さらにファンクションジェネレータ３７
が接続される。

【００１２】次に、この実施例の材料試験機の全体の動
作を説明する。試験に先立って供試体２１の試験条件に
応じて正弦波、三角波、矩形波、ランプ波などの試験波
形の種類、振幅、周波数などがファンクションジェネレ
ータ３７に設定され、試験が開始されると設定された試
験波形の荷重または変位の指令信号がＣＰＵ３０へ出力
される。ＣＰＵ３０は、供試体２１に負荷される荷重お
よび変位をロードセル２２および作動トランス２３によ
りそれぞれ検出し、Ａ／Ｄ変換器３２，３４によりＡ／
Ｄ変換して荷重および変位のデジタルフィードバック信
号を入力する。そして、ファンクションジェネレータ３
７から入力された荷重または変位の指令信号とそれぞれ
のフィードバック信号とを比較し、制御偏差を算出して
フィードバック制御の演算増幅処理を行い、操作部であ
るアクチュエータ２０ｅの操作量を算出する。算出され
た操作量はＤ／Ａ変換器３５によりアナログ信号に変換
され、増幅器３６で増幅されてアクチュエータ２０ｅの
サーボバルブ２０ｅ１へ出力される。サーボバルブ２０
ｅ１はこの操作量信号に従って不図示の油圧源からアク
チュエータ２０ｅに圧送される油量を制御し、これによ
りアクチュエータ２０ｅは下部治具２０ｆを介して供試
体２１を負荷する。

【００１３】図３はＣＰＵ３０の制御プログラムを示す
フローチャートである。このフローチャートにより、実
施例の演算増幅処理を説明する。ＣＰＵ３０は例えば１
００μＳの時間間隔でこの制御プログラムを実行し、演
算増幅処理を行う。まず、ステップＳ１１においてファ
ンクションジェネレータ３７に設定された試験波形の周
波数が例えば１Ｈｚ以上か否かを判別し、１Ｈｚ以上で
あればステップＳ１２へ進み、１Ｈｚ未満であればステ
ップＳ１６へ進む。試験波形の周波数が１Ｈｚ以上の時
は、フィードバック制御の演算増幅処理の実行時間間隔
を変更せず、この実施例では当初設定された時間１００
μＳとする。すなわち、図５に示す従来のフィードバッ
ク制御と同様に、ステップＳ１２でＡ／Ｄ変換器３２，
３４を制御して荷重および変位の検出信号のＡ／Ｄ変換
を行い、続くステップＳ１３でファンクションジェネレ
ータ３７から試験波形の指令信号を読み込む。さらにス
テップＳ１４で指令信号と検出信号との制御偏差を算出
し、その制御偏差に演算増幅処理を行ってアクチュエー
タ２０ｅの操作量を算出する。ステップＳ１５でＤ／Ａ
変換器３５を制御して操作量をアナログ信号に変換し、
増幅器３６を介してアクチュエータ２０ｅのサーボバル
ブ２０ｅ１へ出力する。

【００１４】一方、試験波形の周波数が１Ｈｚ未満の時
は、フィードバック制御の演算増幅処理の実行時間間隔
を周波数に応じて長くする。すなわち、試験波形の周波
数が０．１Ｈｚ以上、１Ｈｚ未満であればフィードバッ
ク制御の演算増幅処理の実行時間間隔を当初の２倍の２
００μＳとし、この２００μＳの間に２回、荷重および
変位の検出信号をＡ／Ｄ変換し、それらの平均値を算出
してフィードバック信号とする。具体的には、ステップ
Ｓ１６で荷重および変位の検出信号のＡ／Ｄ変換を行
い、続くステップＳ１７で試験波形の周波数が０．１Ｈ
ｚ以上、１Ｈｚ未満であるか否かを判別し、０．１Ｈｚ
以上、１Ｈｚ未満であればステップＳ１８へ進み、そう
でなければステップＳ２０へ進む。ステップＳ１８では
Ａ／Ｄ変換を２回終了したか否かを判別し、２回終了し
ていればステップＳ１９へ進み、そうでなければプログ
ラムの実行を終了する。ステップＳ１９では、荷重およ
び変位の２回のＡ／Ｄ変換結果の平均値をそれぞれ算出
し、これらの値を荷重および変位のフィードバック信号
としてステップＳ１３へ進み、上記のフィードバック制
御の演算増幅処理を行う。

【００１５】試験波形の周波数が０．１Ｈｚ未満の時
は、フィードバック制御の演算増幅処理の実行時間間隔
を当初の４倍の４００μＳとし、この４００μＳの間に
４回、荷重および変位の検出信号をＡ／Ｄ変換し、それ
らの平均値を算出してフィードバック信号とする。具体
的には、ステップＳ２０でＡ／Ｄ変換を４回終了したか
否かを判別し、４回終了していればステップＳ２１へ進
み、そうでなければプログラムの実行を終了する。ステ
ップＳ２１では、荷重および変位の４回のＡ／Ｄ変換結
果の平均値をそれぞれ算出し、これらの値を荷重および
変位のフィードバック信号としてステップＳ１３へ進
み、上記のフィードバック制御の演算増幅処理を行う。

【００１６】このように、供試体に負荷する試験波形の
周波数に応じてデジタルフィードバック制御の演算増幅
処理の実行時間間隔を設定する。すなわち、試験波形の
周波数が１Ｈｚ以上の場合は、予め設定された短い実行
時間間隔で制御量の検出信号のＡ／Ｄ変換を行い、指令
信号とＡ／Ｄ変換結果のデジタルフィードバック信号と
に対してフィードバック制御の演算増幅処理を行い、ア
クチュエータの操作量を算出する。また、試験波形の周
波数が１Ｈｚ未満の場合は、周波数が低くなるに従って
フィードバック制御の演算増幅処理の実行時間間隔を長
く設定し、時間間隔内において行われた複数回のＡ／Ｄ
変換結果の平均値を求め、この平均値と指令信号とに対
してフィードバック制御の演算増幅処理を行い、アクチ
ュエータの操作量を算出する。そして、これらの算出さ
れた操作量に従ってアクチュエータのサーボバルブを駆
動制御し、供試体を負荷するようにしたので、従来と同
様に高速における材料試験が可能である上に、低速での
材料試験の制御精度が向上する。

【００１７】なお、上記実施例では０．１Ｈｚ、１Ｈｚ
の試験波形の周波数を基準にしてフィードバック制御の
演算増幅処理の実行時間間隔を設定したが、これらの基
準周波数は上記実施例に限定されない。また、試験波形
の周波数に応じて連続的に実行時間間隔を設定するよう
にしてもよい。さらに、上記実施例では基準となるフィ
ードバック制御の演算増幅処理の実行時間間隔を１００
μＳとしたが、この実行時間間隔は上記実施例に限定さ
れない。

【００１８】上記実施例では荷重または変位の物理量に
対するデジタルフィードバック制御を例に上げて説明し
たが、制御対象の物理量は上記実施例に限定されず、速
度、加速度、ひずみなどの供試体に関するすべての物理
量に対して本発明を適用することができる。また、上記
実施例では油圧アクチュエータを例に上げて説明した
が、アクチュエータの種類は上記実施例に限定されず、
電動アクチュエータでもよい。

【００１９】以上の実施例の構成において、ファンクシ
ョンジェネレータ３７が試験波形発生手段を、試験機本
体２０が負荷手段を、ロードセル２２および作動トラン
ス２３が物理量検出手段を、Ａ／Ｄ変換器３２，３４が
Ａ／Ｄ変換手段を、マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）３
０と図３に示す制御プログラムのステップＳ１１，Ｓ１
７が時間間隔設定手段を、マイクロコンピュータ３０と
図３に示す制御プログラムのステップＳ１９，Ｓ２１が
平均値算出手段を、マイクロコンピュータ３０と図３に
示す制御プログラムのステップＳ１４が演算手段をそれ
ぞれ構成する。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、供
試体を負荷する試験波形の周波数に応じてフィードバッ
ク制御の演算増幅処理の実行時間間隔を設定し、設定さ
れた時間間隔内で供試体の物理量のＡ／Ｄ変換が複数回
行われた時はそれらの平均値を算出し、この平均値と試
験波形に対してフィードバック制御の演算増幅処理を行
い、負荷手段の操作量を演算して供試体に負荷するよう
にしたので、従来と同様に高速における材料試験が可能
である上に、低速における材料試験の制御精度を向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】クレーム対応図。

【図２】一実施例の構成を示すブロック図。

【図３】マイクロコンピュータの演算増幅処理プログラ
ム例を示すフローチャート。

【図４】デジタルフィードバック制御系を示すブロック
図。

【図５】従来のマイクロコンピュータの演算増幅処理プ
ログラムを示すフローチャート。

【符号の説明】

１，３７ ファンクションジェネレータ ２，２１，１００ 供試体 ３，３５ Ｄ／Ａ変換器 ４，２０ｅ アクチュエータ ５，２０ｅ１ サーボバルブ ６ 検出器 ７，３１，３３，３６ 増幅器 ８，３２，３４ Ａ／Ｄ変換器 ９ 加算器 １０，３０ マイクロコンピュータ（ＣＰＵ） ２０ 試験器本体 ２０ｂ クロスヘッド ２０ｃ 上部治具 ２０ｄ 基台 ２０ｆ 下部治具 ２０ｇ 支柱 ２２ ロードセル ２３ 作動トランス １０１ 負荷手段 １０２ 試験波形発生手段 １０３ 物理量検出手段 １０４ Ａ／Ｄ変換手段 １０５ 演算手段 １０６ 時間間隔設定手段 １０７ 平均値算出手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 供試体を負荷する負荷手段と、 前記供試体を負荷する際の基準となる物理量の試験波形
   を発生する試験波形発生手段と、 負荷された前記供試体から前記物理量を検出する物理量
   検出手段と、 この物理量検出手段の検出結果をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ
   変換手段と、 前記試験波形発生手段の試験波形と前記Ａ／Ｄ変換手段
   の変換出力に対してフィードバック制御の演算増幅処理
   を行い、前記負荷手段の操作量を演算する演算手段とを
   備えた材料試験機において、 前記試験波形発生手段から発生される試験波形の設定周
   波数に応じて、前記演算手段による演算増幅処理の実行
   時間間隔を設定する時間間隔設定手段と、 この時間間隔設定手段で設定された時間間隔内で前記Ａ
   ／Ｄ変換手段によるＡ／Ｄ変換が複数回行われた時は、
   複数回の変換出力の平均値を算出する平均値算出手段と
   を備え、 前記演算手段は、前記試験波形発生手段の試験波形と前
   記平均値算出手段の平均値に対してフィードバック制御
   の演算増幅処理を行い、前記負荷手段の操作量を演算す
   ることを特徴とする材料試験機。