JP6091003B2 - 疲労試験機の振動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、試験体に繰り返し荷重を加えて疲労試験を行う疲労試験機に係わり、詳細には、加振機の振動を制御して試験体に繰り返し変位を与えることで荷重を加えるとともに、オートゲインコントロール（ＡＧＣ）機能により所定の荷重である目標荷重振幅を制御するようにした疲労試験機の振動制御装置に関する。

従来、疲労試験システムのフィードバック制御は、例えば図６のブロック図で示される。この疲労試験システムでは、サーボ制御装置１０に設定した変位または荷重などの設定値に応じて、加振機２０により変位または荷重などを試験体Ｗに加えることができる。試験の目的に合わせて、フィードバックする信号を、変位から荷重などに切り替えることが可能である。

さらにサーボ制御装置１０は例えば図７のブロック図で示される。この試験システムは、設定した変位または荷重の設定値に対して、信号発生部等で正弦波などの繰り返し信号を発生し、これを制御器を介して加振機２０に与えて、荷重を試験体Ｗに加えて疲労強度を調べる疲労試験機である。このような疲労試験機は、通常、試験は一定周期、一定振幅で行う。この場合、信号発生部が一定振幅の正弦波信号などを生成し、その信号を設定値として制御量（変位信号）との差異を制御器に入れて操作量を加振機２０に加えるフィードバックを構成する。このとき制御器は、比例制御やＰＩＤ制御などを行う。

一定周波数で繰返し荷重を加える試験では、目標荷重振幅を与えて試験を行うが、荷重振幅の制御は高精度が要求される。しかし、サーボループ（フィードバック制御）で制御した場合、必ずしも目的の荷重振幅にはならない。その原因は、試験体（制御対象）の特性の違いや、外乱があり、さらに、破壊試験では、試験体の破壊が進んだり変形が生じると、システムの特性が変化する。このため、アウターループで荷重振幅を目的の値に制御するのがオートゲインコントロール（ＡＧＣ）機能である。図７の例では、変位制御で荷重振幅一定で制御する場合の信号の流れを示す。この他に、変位制御で変位振幅制御や、荷重制御で変位振幅制御などが行える。

特開昭５９−１００９１８号公報

ところで、一般のオートゲインコントロールの制御ブロックは図８のようになる。このオートゲインコントロールでは、荷重振幅についての目標振幅（Ｓ）と制御量（Ｐ）の振幅を比較し、操作量（Ｍ）の振幅を調整する、いわゆるフィードバックループを構成する。この例では、振幅と中心値も制御している。このとき、振幅差（Ｓ−Ｐ）に比例ゲインを掛けて、前回の振幅に加える操作を行う、いわゆる積分制御を構成する。また、この積分制御は連続系ではなく離散系となる。サンプリングタイムは最大振幅の繰り返し周期時間となる。

この積分制御を式で現すと以下の（１）式になる。

Ｍが操作振幅、Ｓが設定された目標振幅、Ｐが検出される制御振幅、Ｋ_p が比例ゲインである。この演算をコンピュータ処理するために、以下の（２）式の逐次式にする。

図８に示す各機能構成について、ＳＧは信号発生部であり、正弦波等の信号を発生する。Ａｔはアッテネータであり、信号発生部の信号の振幅を調整する。Ｏｔはオフセットであり、信号にオフセットを加えて中心値を調整する。ＤＴは振幅／中心値検出部であり、制御信号から振幅と中心値を検出する。ＰＡは振幅コントロールであり、目標振幅と制御振幅の差に比例ゲインを掛けて現在の操作振幅に加える。ＰＣは中央値コントロールであり、目標中心値と制御中心値の差を操作中心値に加える。ＰＩＤ制御部は、操作量と変位信号の差に基づきＰＩＤ制御を行う。

ここで、変位制御で荷重振幅を制御する場合を例に説明する。オートゲインコントロール機能は１周期（サンプリング周期）のデータにより、荷重振幅（各周期毎の最大振幅）を求める。この荷重振幅と目標荷重振幅との差を求め、それに比例ゲインを掛けて操作量の変位振幅に加えて新たな変位振幅とする。これを１周期毎に繰り返す。

比例ゲイン（ＡＧＣゲイン）の適切な値はシステムの特性により決定される。変位制御で荷重振幅のＡＧＣ制御を行う場合、図９に示すように変位に対する荷重の関係を表すグラフを作成し、その勾配が理想の比例ゲインとなる。しかし、システムのノイズや外乱を考慮して、比例ゲインとしては実際は理想より小さな値を設定する。また、システムの特性（勾配）がわからないときは小さな値を設定しなければ、振幅が発振してしまう。

比例ゲインとして小さな値を設定すると安定はするが、外乱に対する応答性は著しく遅れる。また、試験開始時や設定振幅（目標荷重振幅）を変更したときには目標振幅に達する時間が大きくなってしまう。

本発明は、疲労試験機の振動制御装置において、変位を制御して試験体に荷重を加えるような疲労試験で、システムがどのような特性を持っていても、なおかつ、その特性が変化しても、安定的に制御することを課題とする。

請求項１の疲労試験機の振動制御装置は、設定された目標荷重振幅と周波数とに基づいて、試験体に対して繰り返し変位を与えることで該試験体に対して繰り返し荷重を加えるとともに、該試験体に加える荷重をＡＧＣ機能で調整しながら該試験体の疲労試験を行う疲労試験機の振動制御装置であって、前記繰り返し荷重を加える毎に、前記試験体を含むシステムの変位に対する荷重の比としてシステム特性の勾配を求め、該勾配に予め設定された０＜ａ＜１である安定化定数ａを掛けて比例ゲインを求め、該比例ゲインを前記ＡＧＣ機能のＡＧＣゲインとして調整することを特徴とする。

請求項２の疲労試験機の振動制御装置は、設定された目標荷重振幅と周波数とに基づいて、試験体に対して繰り返し変位を与えることで該試験体に対して繰り返し荷重を加えるとともに、該試験体に加える変位に対する荷重を第１のＡＧＣ機能で調整し、かつ、操作量に対する変位を第２のＡＧＣ機能で調整しながら前記試験体の疲労試験を行う疲労試験機の振動制御装置であって、前記繰り返し荷重を加える毎に、前記試験体を含むシステムの変位に対する荷重の比としてシステム特性の第１の勾配を求め、該第１の勾配に予め設定された０＜ａ≪１である安定化定数ａを掛けて比例ゲインを求め、該比例ゲインを前記第１のＡＧＣ機能のＡＧＣゲインとして調整し、前記繰り返し荷重を加える毎に、前記試験体を含むシステムの操作量に対する変位の比としてシステム特性の第２の勾配を求め、該第２の勾配に予め設定された０≪ａ′＜１である安定化定数ａ′を掛けて比例ゲインを求め、該比例ゲインを前記第２のＡＧＣ機能のＡＧＣゲインとして調整することを特徴とする。

請求項３の疲労試験機の振動制御装置は、請求項１または２に記載の疲労試験機の振動制御装置であって、システムの変位に対する荷重の関係が線形の特性を持つことを特徴とする。

請求項４の疲労試験機の振動制御装置は、請求項１または２に記載の疲労試験機の振動制御装置であって、システムの変位に対する荷重の関係が非線形の特性を持つことを特徴とする。

請求項１の疲労試験機の振動制御装置によれば、システムの特性の勾配であるシステム特性を検出してＡＧＣ機能の比例ゲインを設定するので、システムがどのような特性を持っていても、また、特性が変化しても、安定的に制御することができ、さらに安定化係数により、応答を速くすることができる。

請求項２の疲労試験機の振動制御装置によれば、請求項１と同様に、比例ゲインの設定と安定化係数により、安定的にかつ応答を速く制御できるとともに、第１のＡＧＣ機能により、変位に対する荷重の変動を制御し、第２のＡＧＣ機能により操作量に対する変位の変動を制御するので、第１のＡＧＣ機能で試験体の特性変化に対応した制御を行うことができ、第２のＡＧＣ機能により、周波数のスイープによる加振機の特性変化に対応した制御を行うことができる。

請求項３の疲労試験機の振動制御装置によれば、請求項１または２の効果に加えて、システムの変位に対する荷重の関係が線形の特性の場合に対応できる。

請求項４の疲労試験機の振動制御装置によれば、請求項１または２の効果に加えて、システムの変位に対する荷重の関係が非線形の特性の場合に対応できる。

本発明の第１実施形態の振動制御装置を適用した疲労試験機の要部機能ブロック図である。 実施形態における操作振幅に対する制御振幅の関係を示す図である。 実施形態における制御フローのフローチャートである。 実施形態における制御対象の変位に対する荷重の関係が非線形の特性を持つ例を示す図である。 本発明の第２実施形態の振動制御装置を適用した疲労試験機の要部機能ブロック図である。 従来の一般的なフィードバック制御のブロック図である。 従来の振動制御装置の要部機能ブロック図である。 従来の一般的なオートゲインコントロールの機能ブロック図である。 従来の一般的なオートゲインコントロールにおける変位に対する荷重の関係を示す図である。

次に、本発明の疲労試験機の振動制御装置の実施形態について図面を参照して説明する。図１は第１実施形態の疲労試験機を適用した試験システムの要部機能ブロック図であり、この試験システムは、実施形態の振動制御装置１、加振機２、センサ部３を備えている。加振機２は試験体４に対して変位を与えるアクチュエータ等を備えており、加振機２及び試験体４が制御対象となるシステムである。センサ部３は変位センサ（差動トランス）や荷重センサからなり、試験体４に生じる実際の変位（実変位）と実際の荷重（実荷重）を検知して変位信号と荷重信号を出力し、変位信号と荷重信号は振動制御装置１に入力される。

振動制御装置１は、ＡＧＣコントロール部１１とＰＩＤ制御部１２を有しており、これらの機能部は、図示しないＣＰＵやメモリを備えたコンピュータが所定の制御プログラムを実行することにより実現される。なお、ＡＧＣコントロール部１１において、信号発生部ＳＧ、アッテネータＡｔ、オフセットＯｔは、前記図８のものと同様であり、詳細な説明は省略する。

ＡＧＣコントロール部１１には、設定量として、安定化係数ａと、目標荷重振幅を示す設定された目標振幅値（振幅）とその目標中心値（中心）が入力される。この実施形態における振幅／中心値検出部ＤＴは、制御信号から振幅と中心値を検出するとともに、システム（制御対象）の特性の勾配を算出し、その勾配をシステム特性Ｓとして振幅コントロールＰＡと中央値コントロールＰＣに出力する。振幅コントロールＰＡは、システム特性Ｓと安定化係数ａとを乗算して比例ゲインＫを算出し、目標振幅と制御振幅の差に比例ゲインＫを掛けて現在の操作振幅に加え、その値をアッテネータＡｔに出力する。中央値コントロールＰＣは、システム特性Ｓと安定化係数ａとを乗算して比例ゲインＫを算出し、目標中心値と制御中心値の差に比例ゲインＫを掛けて現在の操作中心値に加え、その値をオフセットＯｔに出力する。このように、ＡＧＣコントロール部１１において、振幅／中心値検出部ＤＴで検出される実荷重と前回までの設定荷重振幅との偏差と、比例ゲインとに基づいて、アッテネータＡｔに出力する設定荷重振幅を調整する制御がＡＧＣ機能である。

次に、比例ゲインＫと安定化係数ａについて説明する。本発明では、従来は一定であった比例ゲインをサンプリング周期（離散系の繰り返し周期）の１周期前のデータからシステムの特性を計算し、そのシステムの特性に合わせて比例ゲインＫを調整する方法をとっている。

すなわち、比例ゲインを次式（３）のように分解する。
比例ゲイン（Ｋ）＝安定化係数（ａ）×システム特性（Ｓ） …（３）
システム特性Ｓは、操作振幅Ｍ（変位）に対する制御目標振幅Ｐ（荷重）の比で表される量であり、次式（４）となる。
Ｓ＝Ｐ／Ｍ …（４）

安定化係数ａは０＜ａ＜１の値であり、システムの安定条件として一定値に設定する。そして、システム特性Ｓを計算（検出）してサンプリングの１周期毎に比例ゲインＫを調整する。収束の速度はシステム特性Ｓの値に拘わらず、安定化係数ａだけで決まる。したがって、システムの制御性能の選択は安定化係数ａの選択で決定される。

ここで、操作振幅Ｍに対する制御振幅Ｐの関係をグラフに表すと図２のようなグラフになる。理想の比例ゲインはグラフの勾配であるから、図２に示すように操作振幅がＭのとき制御量がＰとなるとき、比例ゲインは
Ｋ_p ＝ａ×Ｐ／Ｍ
とすることができる。安定化係数ａは、１未満で、１に近いほど収束が速くなる。つまり、安定化係数ａが収束率を表す因子になる。しかし、安定化係数ａが１に近すぎるとシステム特性Ｓ（＝Ｐ／Ｍ）が僅かに変化しても比例ゲインＫ_p が一定のままだと結果的に安定化係数ａが１を超えた状態と等価になるため操作量が発散してしまう。したがって、上記のように比例ゲインＫ_p を調整する必要がある。

いま、図２に示すように、システムの特性がαであったものが、システムに特性変化などの外乱が発生してシステムの特性がβのように変化し、制御振幅がＰ′になったとする。制御振幅をＰにするには操作振幅をＭ′にしなければならない。したがって、このときの比例ゲインを
Ｋ_p ＝ａ×Ｐ／Ｍ
とすると、比例ゲインを
Ｋ_p ′＝ａ×Ｐ／Ｍ′＝ａ×Ｐ′／Ｍ …（５）
にすればよい。

本発明ではこのように、システムの特性の勾配であるシステム特性Ｓ（Ｐ／Ｍ′あるいはＰ′／Ｍ）を検出して比例ゲインを設定する。これにより、収束性が一定のままでコントロールすることができる。すなわち、システムの特性変化による勾配の変化を計測し、予め設定された安定化係数ａを掛けて比例ゲインを調整することにより、応答が速くかつ発散しない安定な試験システムを構成することができる。このように比例ゲインを調整して行うＡＧＣを、以下「Ａ−ＡＧＣ」という。

図３は実施形態の制御フローのフローチャートである。この制御フローは信号発生部ＳＧの正弦波信号の１周期毎に起動され、以下の順に処理をする。１）振幅制御対象の波形データより１周期の振幅と中心値を計算する。２）振幅制御対象の波形データと操作量データより勾配を計算する。３）目標振幅と目標中心値とに対して、１）で求めた値よりそれぞれの偏差を求める。４）勾配（システム特性Ｓ）に安定化係数を掛けて比例ゲインを計算し、この比例ゲインに偏差を掛け合わせて補正量を加算して操作振幅と操作中心値を決定する。このとき安定化係数は振幅用と中心値用とで異なる値を用いる。なお、安定化係数はシステム起動前に設定される。なお、ゼロ振幅からスタートするときには、微少振幅を発生させてから上記の制御を行う。

疲労試験では、試験体に加える変位を制御して試験体に所定の荷重を加え、この制御を所定の周波数で繰り返して、試験体の疲労試験が行われるが、この繰り返す周波数を周期的に変化させる「周波数スイープ制御」も行われる。この周波数スイープ制御を行ったとき、操作振幅Ｍに対して制御振幅は周波数によって大きく変わってくるが、このような用途でも安定化係数ａを１に近い値にすることで即応性が実現できる。

また、比例ゲインの調整は、目標値の近傍での操作である。したがって、制御対象の変位に対する荷重の関係が図４のように非線形の特性を持っていても、目標振幅近傍で振幅を制御するときは、目標値の近傍を直線とみなすことができ、近傍区間のデータから勾配（システム特性Ｓ）を検出することで、システムの特性が求められる。このように比例ゲインＫ_p を決定（調整）することで、システム特性が非線形となるシステムでも同様に制御することができる。

ところで、安定化係数ａは制御の時定数を表している。したがって、安定化係数ａが１に近ければ、すなわち０≪ａ＜１であれば即応性はあるが、安定度が劣る。０に近ければ、すなわち０＜ａ≪１であれば即応性は無いが、安定度は増す。

例として、「変位制御−荷重振幅制御」で周波数スイープ制御を行った場合、それぞれの外乱要因は異なる。したがって、第１実施形態と同様なＡ−ＡＧＣを二重化することでそれぞれの要因に適した比例ゲインを別々に設定する。これにより、周波数スイープ制御を行った場合も適切な制御ができる。

図５は第２実施形態の疲労試験機を適用した試験システムの要部機能ブロック図であり、第１実施形態と同様な要素には同記号及び同符号を付記して、詳細な説明は省略する。この試験システムは、Ａ−ＡＧＣの制御を二重ループに構成したものである。第１のＡＧＣコントロール部１１−１は「第１のＡＧＣ機能」であるＡ−ＡＧＣ１の機能を有する。Ａ−ＡＧＣ１の機能では、変位に対する荷重の変動を制御する。第２のＡＧＣコントロール部１１−２は「第２のＡＧＣ機能」であるＡ−ＡＧＣ２の機能を有する。Ａ−ＡＧＣ２の機能では、操作量に対する変位の変動を制御する。

すなわち、Ａ−ＡＧＣ１は試験体４の特性変化に対応した制御を行い、Ａ−ＡＧＣ２では周波数のスイープによる加振機２の特性変化に対応した制御を行う。Ａ−ＡＧＣ１は安定化係数ａを低く抑えて緩やかに制御し、Ａ−ＡＧＣ２ではスイープの素早い特性変化に応答するために安定化係数ａ′を高く設定する。すなわち、
０＜ａ≪１，０≪ａ′＜１
とする。これにより、制御性能が改善される。

１ 振動制御装置
２ 加振機
３ センサ部
４ 試験体
１１ ＡＧＣコントロール部
１２ ＰＩＤ制御部

Claims (4)

1. 設定された目標荷重振幅と周波数とに基づいて、試験体に対して繰り返し変位を与えることで該試験体に対して繰り返し荷重を加えるとともに、該試験体に加える荷重をＡＧＣ機能で調整しながら該試験体の疲労試験を行う疲労試験機の振動制御装置であって、
   前記繰り返し荷重を加える毎に、前記試験体を含むシステムの変位に対する荷重の比としてシステム特性の勾配を求め、該勾配に予め設定された０＜ａ＜１である安定化定数ａを掛けて比例ゲインを求め、該比例ゲインを前記ＡＧＣ機能のＡＧＣゲインとして調整することを特徴とする疲労試験機の振動制御装置。
2. 設定された目標荷重振幅と周波数とに基づいて、試験体に対して繰り返し変位を与えることで該試験体に対して繰り返し荷重を加えるとともに、該試験体に加える変位に対する荷重を第１のＡＧＣ機能で調整し、かつ、操作量に対する変位を第２のＡＧＣ機能で調整しながら前記試験体の疲労試験を行う疲労試験機の振動制御装置であって、
   前記繰り返し荷重を加える毎に、前記試験体を含むシステムの変位に対する荷重の比としてシステム特性の第１の勾配を求め、該第１の勾配に予め設定された０＜ａ≪１である安定化定数ａを掛けて比例ゲインを求め、該比例ゲインを前記第１のＡＧＣ機能のＡＧＣゲインとして調整し、
   前記繰り返し荷重を加える毎に、前記試験体を含むシステムの操作量に対する変位の比としてシステム特性の第２の勾配を求め、該第２の勾配に予め設定された０≪ａ′＜１である安定化定数ａ′を掛けて比例ゲインを求め、該比例ゲインを前記第２のＡＧＣ機能のＡＧＣゲインとして調整することを特徴とする疲労試験機の振動制御装置。
3. システムの変位に対する荷重の関係が線形の特性を持つことを特徴とする請求項１または２に記載の疲労試験機の振動制御装置。
4. システムの変位に対する荷重の関係が非線形の特性を持つことを特徴とする請求項１または２に記載の疲労試験機の振動制御装置。

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