特許 7602958 振動試験装置及び振動試験装置の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-11

(45)【発行日】2024-12-19

(54)【発明の名称】振動試験装置及び振動試験装置の制御方法

(51)【国際特許分類】

   G01M 7/02 20060101AFI20241212BHJP

【ＦＩ】

G01M7/02 B

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021070860

(22)【出願日】2021-04-20

(65)【公開番号】P2022165502

(43)【公開日】2022-11-01

【審査請求日】2024-02-02

(73)【特許権者】

【識別番号】319007240

【氏名又は名称】株式会社日立インダストリアルプロダクツ

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】石原 新士

(72)【発明者】

【氏名】田原 孝一

(72)【発明者】

【氏名】三浦 淳

(72)【発明者】

【氏名】青木 祐也

【審査官】川野 汐音

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－２３７６３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０２７６６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－４３００４（ＪＰ，Ａ）

【文献】金子修，データ駆動型制御器チューニング －FRITアプローチ－，計測と制御，第52巻第10号，2013年10月，853~859頁

【文献】石原新士、田原孝一、弘中浩二，データ駆動制御を用いた振動試験装置のフィードフォワード制御調整，第62回自動制御連合講演会，2019年11月，1~6頁

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｍ ５／００－ ７／０８

Ｇ０５Ｂ １／００－ ７／０４

Ｇ０５Ｂ １１／００－１３／０４

Ｇ０５Ｂ １７／００－１７／０２

Ｇ０５Ｂ ２１／００－２１／０２

Ｇ０５Ｄ ３／００－ ３／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

評価対象である供試体を配置する供試体設置部と、前記供試体設置部を加振するための試験装置駆動部と、前記試験装置駆動部の変位を検出する駆動部変位検出部と、前記供試体の変位を検出する供試体変位検出部と、前記試験装置駆動部の変位量が特定の目標変位に追従するように制御を行うコントローラと、オペレータの操作を受け付けるユーザインタフェースを備えた振動試験装置であって、
オペレータが設定した試験パターンを再生する第１目標信号設定部と、
前記第１目標信号設定部の出力を目標値として試験装置を駆動したときに、前記供試体変位検出部で検出した供試体の変位を記憶する加振データ記憶部と、
前記加振データ記憶部に格納された供試体の変位と前記第１目標信号設定部に設定されている第１目標信号に基づいて、前記第１目標信号を修正して第２目標信号を算出するフィルタのパラメータを設計するフィルタ調整部と、
前記フィルタ調整部で調整されたフィルタを用いて第１目標信号設定部の目標信号を整形する第２目標信号設定部と、
前記コントローラで追従制御を行う目標値を、前記第１目標信号設定部の出力と第２目標信号設定部の出力とで切替える目標信号切替部と、
目標信号変換器と、を備え、
前記目標信号変換器は、前記加振データ記憶部と、前記フィルタ調整部と、前記第２目標信号設定部と、前記目標信号切替部と、を有し、
前記目標信号切替部は、前記第１目標信号設定部の目標値で試験装置を駆動した後に、前記コントローラが追従制御を行う目標値を前記第２目標信号設定部の出力に切り替えることを特徴とする振動試験装置。

【請求項2】

請求項１に記載の振動試験装置において、
前記コントローラは、
前記加振データ記憶部と、前記フィルタ調整部と、前記第２目標信号設定部と、前記目標信号切替部と、を備え、
前記目標信号切替部の出力を目標変位としてフィードバック制御を行うフィードバック制御部を有することを特徴とする振動試験装置。

【請求項3】

請求項１に記載の振動試験装置において、
前記ユーザインタフェースは、
前記第１目標信号設定部と、前記加振データ記憶部と、前記フィルタ調整部と、前記第２目標信号設定部と、前記目標信号切替部を備え、
前記目標信号切替部の出力をコントローラに送信することを特徴とする振動試験装置。

【請求項4】

請求項１に記載の振動試験装置において、
前記加振データ記憶部に格納された供試体の変位と前記フィルタ調整部で調整されたフィルタを用いて、フィルタ適用時に実現される供試体変位の応答を予測する供試体変位予測部を備え、前記供試体変位予測部の予測結果をユーザインタフェースに提示することを特徴とする振動試験装置。

【請求項5】

請求項１に記載の振動試験装置において、
前記フィルタ調整部は、予め設定された参照モデルに対して、前記第１目標信号設定部で定めた第１目標信号を入力として与えたときに出力として得られる理想応答と、調整パラメータを有するフィルタに対して、前記加振データ記憶部に格納された供試体の変位を入力として与えたときに出力として得られる供試体応答予測値に対して、理想応答と供試体応答予測値の最小二乗誤差が最小化されるようにフィルタの調整パラメータを選定することを特徴とする振動試験装置。

【請求項6】

請求項１に記載の振動試験装置において、
前記コントローラで追従制御を行う目標値を、前記第１目標信号設定部の第１目標信号を所定の正値でスケーリングした修正第１目標信号を目標値と第２目標信号設定部の出力で切替える目標信号切替部を有することを特徴とする振動試験装置。

【請求項7】

評価対象である供試体を配置する供試体設置部と、前記供試体設置部を加振するための試験装置駆動部と、前記試験装置駆動部の変位を検出する駆動部変位検部と、前記供試体の変位を検出する供試体変位検出部と、前記試験装置駆動部の変位量が特定の目標変位に追従するように制御を行うコントローラと、オペレータの操作を受け付けるユーザインタフェースを備えた振動試験装置の制御方法であって、
オペレータが設定した試験パターンを再生する第１目標信号設定部の出力を目標値として試験装置を駆動したときに、前記供試体変位検出部で検出した供試体の変位を加振データ記憶部に記憶し、
前記加振データ記憶部に格納された供試体の変位と前記第１目標信号設定部に設定されている第１目標信号に基づいて、フィルタ調整部が前記第１目標信号を修正して第２目標信号を算出するフィルタのパラメータを設計し、
前記フィルタ調整部で調整されたフィルタを用いて第１目標信号設定部の目標信号を整形し、第２目標信号として設定し、
目標信号切替部が、前記第１目標信号設定部の目標値で試験装置を駆動した後に、前記コントローラが追従制御を行う目標値を前記第２目標信号に切り替えることを特徴とする振動試験装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、試験対象を加振して評価する振動試験装置及び振動試験装置の制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

構造物の耐震性能を評価するために、構造物の特性を模擬したモデル（以下、供試体と称する）を加振して評価する試験装置が知られている。これらの試験装置には、地震波形など、変位や加速度の応答が早い試験パターンを再現する必要があるため、応答性や駆動力に優れる油圧アクチュエータが利用されることが多い。

【0003】

このような振動試験装置は、ユーザが定めた所定の試験パターン（加速度指令や変位指令）に従って、油圧アクチュエータを駆動することによって、供試体の評価試験を実施する。
振動試験装置には、油圧アクチュエータの位置，速度，及び加速度を取得するセンサが取り付けられているため、これらの信号を利用してフィードバック制御を行うことで、所望の試験波形を再現する。

【0004】

しかしながら、上記の構成では、油圧アクチュエータの変位或いは油圧アクチュエータの速度を試験パターンに追従させることができるものの、必ずしも、供試体の変位，速度，及び加速度を試験パターンに追従させることができるとは限らない。このため、供試体の特定箇所に生じる変位，速度，及び加速度のパターンを再現したいというユーザ（若しくは、オペレータ）の要求に応えることが容易ではない。

【0005】

さらに、油圧アクチュエータを利用する関係上、油圧の特性の変化や駆動部の摩擦などの変動要素を有するために、適切な制御設計がなされていないと、油圧アクチュータの変位或いは油圧アクチュータの速度も所望のパターンで駆動することは困難である。

【0006】

このような課題に対して、特許文献１では、供試体（被試験体）に変位センサ及び加速度センサを取り付け、その信号をサーボ制御装置に取り込み、このセンサ情報を利用して試験条件（加振パターン）を変更することで、供試体の変位や加速度を制御する振動試験装置が提示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２０１２－２３７６３４号公報

【非特許文献】

【0008】

【文献】金子修，中村岳男，池崎太一，：二自由度制御系におけるフィードフォワード制御器更新の新しいアプローチ―Ｅｓｔｉｍａｔｅｄ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｔｕｎｉｎｇ （ＥＲＩＴ）の提案―，計測自動制御学会論文集，２０１８，５４巻，１２号，ｐ．８５７－８６４

【文献】石原，田原，弘中：データ駆動制御を用いた振動試験装置のフィードフォワード制御調整，第６２回自動制御連合講演会，２０１９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

特許文献１に開示される試験装置は、供試体の特定箇所の変位や加速度が取得できる構成になっているため、これらの信号を利用して適切な制御を実行すれば、試験装置のユーザ又はオペレータが望む試験パターンを再現し得る構成になっている。
具体的には、特許文献１では、供試体の振動特性を取得するための試験を行い、この試験において指令した変位量（若しくは加速度量）に対して、実際に供試体に取り付けられたセンサから取得した変位量を記憶する。この特性把握用の加振で得られた波形の周波数と変位量をデータベースとして保管し、供試体が最大変位量を超えるまで加振指令値を増幅する特性把握試験を繰り返し行うことで、実際に試験を行いたい周波数領域をカバーするように、供試体を最大変位で加振できる補正量を決定する。この補正量を利用して、試験パターンを補正することで所望の変位で供試体を加振することができるようになる。

【0010】

上記の手法を利用すれば、実際の供試体の変位が、試験装置のユーザが所望する変位に調整することが可能である。よって、供試体に与える力やエネルギなどを評価する試験には有効な手法である。
しかしながら、特許文献1に開示される手法は、振幅（ゲイン）のみを変更しており、位相の補償は実施されないため、動的に試験パターンを変更する場合は十分な性能を提供できない場合が生じ得る。

【0011】

なお、ゲインと位相を同時に補償する一般的な手法として、制御対象（供試体を含む試験装置）を様々な周波数成分を含む試験パターン（チャープ信号やランダム信号）で加振して制御対象の伝達関数を求め、その逆特性である逆伝達関数を利用して指令値を算出する方法が知られている。

【0012】

しかしながら、振動試験装置のダイナミクス（運動方程式）はｎ階の微分方程式で記述される。すなわち、振動試験装置の伝達関数は分母の次数（ｎ）が分子の次数よりも大きい、厳密にプロパな伝達関数になる。このため、その逆特性は分子の次数のほうが分母の次数よりも高い非プロパ（インプロパ）な伝達関数になる。
換言すれば、非プロパな伝達関数は微分要素を含むことになる。微分は現時刻（ｔ＝ｋ）と１ステップ先の時刻（ｔ＝ｋ＋１）の傾きを示すものである。すなわち、時刻ｔ＝ｋの微分を計算するには未来（ｔ＝ｋ＋１）の情報が必要になり、因果性が成立しない。このため、微分要素を計算機（コントローラ）に実装することは容易ではない。
以上のような理由により、伝達関数の逆特性を利用した補償器が振動試験装置において利用できるとは限らない。

【0013】

そこで、本発明は、制御対象の逆伝達特性を求めることなく、できるだけ簡易な方法で、所望の供試体応答の実現、すなわち、変位の量（ゲイン）と位相の調整を可能にする振動試験装置及び振動試験装置の制御方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上記課題を解決するため、本発明に係る振動試験装置は、評価対象である供試体を配置する供試体設置部と、前記供試体設置部を加振するための試験装置駆動部と、前記試験装置駆動部の変位を検出する駆動部変位検部と、前記供試体の変位を検出する供試体変位検出部と、前記試験装置駆動部の変位量が特定の目標変位に追従するように制御を行うコントローラと、オペレータの操作を受け付けるユーザインタフェースを備えた振動試験装置であって、オペレータが設定した試験パターンを再生する第１目標信号設定部と、前記第１目標信号設定部の出力を目標値として試験装置を駆動したときに、前記供試体変位検出部で検出した供試体の変位を記憶する加振データ記憶部と、前記加振データ記憶部に格納された供試体の変位と前記第１目標信号設定部に設定されている第１目標信号に基づいて、前記第１目標信号を修正して第２目標信号を算出するフィルタのパラメータを設計するフィルタ調整部と、前記フィルタ調整部で調整されたフィルタを用いて第１目標信号設定部の目標信号を整形する第２目標信号設定部と、前記コントローラで追従制御を行う目標値を、前記第１目標信号設定部の出力と第２目標信号設定部の出力とで切替える目標信号切替部と、目標信号変換器と、を備え、前記目標信号変換器は、前記加振データ記憶部と、前記フィルタ調整部と、前記第２目標信号設定部と、前記目標信号切替部と、を有し、前記目標信号切替部は、前記第１目標信号設定部の目標値で試験装置を駆動した後に、前記コントローラが追従制御を行う目標値を前記第２目標信号設定部の出力に切り替えることを特徴とする。
また、本発明に係る振動試験装置の制御方法は、評価対象である供試体を配置する供試体設置部と、前記供試体設置部を加振するための試験装置駆動部と、前記試験装置駆動部の変位を検出する駆動部変位検部と、前記供試体の変位を検出する供試体変位検出部と、前記試験装置駆動部の変位量が特定の目標変位に追従するように制御を行うコントローラと、オペレータの操作を受け付けるユーザインタフェースを備えた振動試験装置の制御方法であって、オペレータが設定した試験パターンを再生する第１目標信号設定部の出力を目標値として試験装置を駆動したときに、前記供試体変位検出部で検出した供試体の変位を加振データ記憶部に記憶し、前記加振データ記憶部に格納された供試体の変位と前記第１目標信号設定部に設定されている第１目標信号に基づいて、フィルタ調整部が前記第１目標信号を修正して第２ 目標信号を算出するフィルタのパラメータを設計し、前記フィルタ調整部で調整されたフィルタを用いて第１目標信号設定部の目標信号を整形し、第２目標信号として設定し、目標信号切替部が、前記第１目標信号設定部の目標値で試験装置を駆動した後に、前記コントローラが追従制御を行う目標値を前記第２目標信号に切り替えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、制御対象の逆伝達特性を求めることなく、できるだけ簡易な方法で、所望の供試体応答の実現、すなわち、変位の量（ゲイン）と位相の調整を可能にする振動試験装置及び振動試験装置の制御方法を提供することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施形態に係る油圧駆動式振動試験装置を模式的に示す概観図である。

【図2】図１に示す油圧ピストンの動作と変位センサ及び圧力センサとの関係を示す図である。

【図3】本発明の一実施例に係る実施例１の振動試験装置の機能ブロック図である。

【図4A】制御ループの伝達関数を示す図である。

【図4B】制御ループの伝達関数を示す図である。

【図5A】第１目標信号ｒの修正を行わない場合に得られた波形の一例を示す図である。

【図5B】特許文献１に開示される方法を適用した場合に得られる波形を示す図である。

【図5C】図５Ｂの波形におけるユーザが望む波形ｚｍと実際の波形ｚの差の積分値を表す図である。

【図5D】各時刻での理想応答ｚｍと実際の供試体の応答ｚの差が小さくなる状態を示す図である。

【図5E】フィルタ調整部で次数を上げる前の状態を示す図である。

【図6】振動試験装置の制御方法に係るフローチャートである。

【図7】本発明の他の実施例に係る実施例２の振動試験装置の機能ブロック図である。

【図8】図７に示す実施例２の振動試験装置の変形例を示す図である。

【図9】本発明の他の実施例に係る実施例３の目標信号切替部の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

図１は、本発明の一実施形態に係る油圧駆動式振動試験装置を模式的に示す概観図である。なお、本明細書では、説明の簡略化のため、１軸の油圧駆動式振動試験装置を例示して説明するが、本発明は１軸の油圧駆動式振動試験装置に限定されるものではない。また、図1では、点線は信号線を示し、実線は配管を示している。

【0018】

図１に示すように、ユーザインタフェース１は、試験装置のユーザ若しくはオペレータが各種試験パターンを設定するために利用される。オペレータはユーザインタフェース１を介して、目的とする加振波形を設定する。
ユーザインタフェース１は目標信号を生成する装置であるため、専用の端末に限らず、操作端末とシグナルジェネレータの組合せなど複数機器で構成されていても良い。なお、操作端末は、通常のパソコン（ＰＣ）やタブレットＰＣであっても良い。

【0019】

なお、ユーザインタフェース１で設定する加振波形の次元は変位，速度，及び加速度のうち何れでも良い。オペレータは、過去に実際に起きた地震波形の再現や、特定の挙動を励起するように任意のパターンで加振波形を設計する。
試験用の目標信号を生成するユーザインタフェース１（シグナルジェネレータやＰＣ）が、本発明における目標信号生成装置に相当する。

【0020】

コントローラ２は、ユーザインタフェース１で設定された目標通りに油圧駆動式振動試験装置を動かすための各種制御演算を実行する。コントローラ２は、ユーザインタフェース１で設定した目標加振波形と後述する各種センサＳ０１～Ｓ０６の値を取得して、サーボアンプ３の操作量の演算を行う。なお、コントローラ２の詳細な構成は後述する。

【0021】

サーボアンプ３は、コントローラ２から出力された指令（電圧）を、サーボバルブ４を駆動するために電流値へと変換する。
サーボバルブ４は、サーボアンプ３から受け取った電流値に従って、弁の開閉を行うことで、油圧源５から油圧シリンダ６に流れる圧油を調整する。サーボバルブ４と油圧源５の間に圧油の温度を検出する温度センサＳ０１が備えられる。

【0022】

サーボバルブ４を経て油圧シリンダ６に供給された圧油は、油圧ピストン７を駆動する。このとき、サーボバルブ４の図１中の左右どちらのポートから圧油が供給されるかによって、油圧ピストン７の駆動方向が変更される。サーボバルブ４から吐出された圧油は流量センサＳ０２ａ，Ｓ０２ｂによって検出可能である。油圧ピストン７の駆動方向に応じて、圧油の流れる経路が変わるため、駆動方向によって使用する流量センサを適宜変更しても良い。

【0023】

油圧ピストン７は、カップリング８を介してテーブル９に力を加えることで、テーブル９を振動させる。油圧ピストン７には、速度センサＳ０３及び変位センサＳ０４が備え付けられている。なお、必ずしも、速度センサＳ０３及び変位センサＳ０４を両方とも備える必要はない。例えば、変位センサＳ０４のみが備えられている場合には、検出値の差分を速度として近似利用すれば良い。また、速度センサＳ０３のみが備えられている場合には、積分値を変位量としても良い。さらにまた、速度センサＳ０３や変位センサＳ０４の替わりに、若しくは、追加して加速度センサを備えても良い。これら油圧ピストン７の変位を検出するためのセンサが、後述する本発明のアクチュエータ変位検出部に相当する。

【0024】

図２は、図１に示す油圧ピストンの動作と変位センサ及び圧力センサとの関係を示す図である。図２に示すように、変位センサＳ０４は、油圧ピストン７からテーブル９に向かう軸にｘ軸をとり、油圧ピストン７の可動域を２ａ［ｍ］としたときに、油圧ピストン７が最も縮小した状態に変位量ｘ＝－ａ［ｍ］，油圧ピストン７が最も延長した場合にｘ＝＋ａ［ｍ］を出力するようにすることが望ましい。速度センサＳ０３の速度の正負も上記のｘ軸に従う。
油圧シリンダ６には、油圧ピストン７の前後圧を検出するための圧力センサＳ０５ａ，Ｓ０５ｂが備えられている。これらのセンサを区別する必要がある場合は、ｘ軸の負側の圧力センサＳ０５ａを後方圧力センサ、ｘ軸の正側の圧力センサＳ０５ｂを前方圧力センサと呼ぶ。

【0025】

上述のサーボアンプ３、サーボバルブ４、油圧源５、油圧シリンダ６、及び油圧ピストン７にて、後述する本発明における試験装置駆動部が構成される。

【0026】

テーブル９に、試験対象になる構造物（供試体１０）を備え付け、ユーザインタフェース１で設定した加振波形に従って、供試体１０を加振することで、各種評価を行う。テーブル９は本発明における供試体設置部に相当する。

【0027】

供試体１０には加速度センサＳ０６が備え付けられている。加速度センサＳ０６で取得した供試体加速度を積分することで供試体速度を取得することができ、この供試体速度をもう一度積分することで供試体変位を取得することができる。このため、加速度センサＳ０６は本発明の供試体変位検出部に相当する。

【0028】

本実施形態では、供試体１０への取付けが容易な、加速度センサＳ０６を利用した例を図示したが、これに限られるものではない。例えば、試験装置とは独立（離間）した場所に設置されたレーザー変位計を利用して供試体１０の変位量を取得し、この値を後述の供試体変位検出部としても良い。

【0029】

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。なお、以下では、説明を簡単にするため、全て加振波形が変位の次元で与えられる変位制御を前提とするが、速度制御或いは加速度制御であっても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。

【実施例1】

【0030】

図３は、本発明の一実施例に係る実施例１の振動試験装置の機能ブロック図である。なお、図３では、理解を容易にするため便宜上、上述の図１に示した一部の構成要素を省略している。

【0031】

図３に示すように、ユーザインタフェース１は、ユーザ操作部１ａ、第1目標信号設定部１ｂ、及びモニタ表示部１ｄから構成される。ユーザ操作部１ａは、オペレータが各種入力を行う操作端末に相当する。第1目標信号設定部１ｂは、試験パターンを生成するシグナルジェネレータに相当する。また、モニタ表示部１ｄは、操作端末（ＰＣ，タブレット）のモニタ（画面）に相当する。

【0032】

コントローラ２は、フィルタ設計部２ａ及びフィードバック制御部２ｂ（図３中ＦＢ制御部）から構成される。
フィードバック制御部２ｂは、図１におけるサーボアンプ３、サーボバルブ４、油圧源５、油圧シリンダ６、及び油圧ピストン７から構成される試験装置駆動部の挙動が安定になるように自身の動きをアクチュエータ変位検出部（図１における変位センサＳ０４に相当）の出力結果に基づいてフィードバック制御を行う。フィードバック制御にはＰＩＤ制御などが利用される。

【0033】

フィルタ設計部２ａは、加振データ記憶部２ａ１、フィルタ調整部２ａ２、第２目標信号設定部２ａ３、及び目標信号切替部２ａ４の４つの機能ブロックから構成される。加振データ記憶部２ａ１、フィルタ調整部２ａ２、第２目標信号設定部２ａ３、及び目標信号切替部２ａ４は、例えば、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサ、各種プログラムを格納するＲＯＭ、演算過程のデータを一時的に格納するＲＡＭ、外部記憶装置などの記憶装置にて実現されると共に、ＣＰＵなどのプロセッサがＲＯＭに格納された各種プログラムを読み出し実行し、実行結果である演算結果をＲＡＭ又は外部記憶装置に格納する。
フィルタ設計部２ａは、最低でも一度試験装置を駆動（試加振）した後に有効になる機能である。このため、試験装置が一度も駆動されていない状態では、目標信号切替部２ａ４において、フィードバック制御部２ｂに送信する目標値は、第1目標信号設定部１ｂで設定された第１目標信号になる。

【0034】

加振データ記憶部２ａ１は、供試体１０に取り付けられた供試体変位検出部（図１における加速度センサＳ０６の検出結果を２階積分した値に相当）で取得したデータを記録する。同時に、第１目標信号設定部１ｂで設定した第１目標信号を記憶する構成としても良い。ただし、第１目標信号は、第１目標信号設定部１ｂに記録されているデータであるため、必ずしも、加振データ記憶部２ａ１に記憶する必要はない。

【0035】

フィルタ調整部２ａ２は、加振データ記憶部２ａ１に記憶された試験データ（供試体変位）及び第１目標信号に基づいて、第１目標信号を修正し、詳細後述する第２目標信号を生成するフィルタの設計を行う。

【0036】

ここで、フィルタ調整部２ａ２において、設計するフィルタについて図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、制御ループの伝達関数を示す図である。図４Ａ及び図４Ｂにおいて、フィードバック制御部２ｂの伝達関数をＣ，試験装置（サーボ指令からテーブル変位まで）の伝達関数をＰ，供試体（テーブル変位から供試体変位まで）の伝達関数をＧとする。また、目標信号をｒ，試験装置の変位をｙ，供試体の変位をｚとする。

【0037】

まず、図４Ａにて、第１目標信号ｒを利用して振動試験装置を駆動したときに得られる供試体の変位ｚは伝達関数表現において、以下の式（１）のように表現できる。

【0038】

【数1】

【0039】

一方、試験装置のユーザが望む、第１目標信号ｒから供試体の変位ｚへの理想的な伝達関数（参照モデル）がＭで与えられるとする。このとき、ユーザが理想とする供試体の変位ｚｍは以下の式（２）で表現できる。すなわち、以下の式（３）を満たすようにフィードバック制御Ｃを設計できればユーザが望む供試体の変位の応答を実現できる。

【0040】

【数2】

【0041】

【数3】

【0042】

式（３）をフィードバック制御Ｃについて解くと、以下の式（４）を得る。

【0043】

【数4】

【0044】

式（４）を実現するには、試験装置（サーボ指令からテーブル変位まで）の伝達関数Ｐ，供試体（テーブル変位から供試体変位まで）の伝達関数Ｇを正確に得る必要がある。また、式（４）の分母部分を見ると試験装置の伝達関数Ｐが含まれており、逆伝達関数Ｐ^－1を利用する形になっている。上述の通り、供試体の伝達関数Ｇと試験装置の伝達関数Ｐは厳密にプロパな伝達関数（分母の次数が分子の次数よりも大きい）であるので、式（４）に従ってフィードバック制御Ｃを計算機に実装することは容易ではない。

【0045】

このため、本実施例では、フィードバック制御Ｃを調整するのではなく、図４Ｂのようにプレフィルタ型のフィードフォワード補償器としてフィルタＦを追加する構成を考える。

【0046】

この構成において、第１目標信号ｒから供試体の変位ｚへの理想的な伝達関数は以下の式（５）で与えることができる。

【0047】

【数5】

【0048】

説明の都合上、フィルタＦがない（すなわち、フィルタの伝達関数Ｆが１に相当する）場合の供試体の変位をｚ１，フィルタＦがある場合の供試体の変位をｚ２とする。このとき、式（１）及び式（５）より、式（６）を得る。

【0049】

【数6】

【0050】

式（６）より、フィルタＦがない場合の供試体の変位データｚ１があれば、任意のフィルタＦを設計した場合の応答ｚ２を予測できる。これは非特許文献１のデータ駆動予測の考え方に従ったものである。

【0051】

式（６）で算出可能な任意のフィルタＦを設計した場合の予測応答ｚ２が理想的な応答ｚｍに出来るだけ近づけることを意図し、例えば、以下の式（７）で与えられる評価関数Ｊを最少化するようにフィルタＦを設計する。

【0052】

【数7】

【0053】

なお、式（７）の評価関数は、予測応答ｚ２と理想応答ｚｍの誤差の二乗和を最小にする（最小二乗誤差を実現する）ために設計された一例であり、本実施例はこの評価関数を最少化するフィルタＦの導出に限定されるものではない。

【0054】

具体的なフィルタの設計に当たっては、フィルタの伝達関数Ｆを以下の式（８）で与え、合計２ｍ＋１個の係数ρ０～ρ２ｍを数値計算によって算出する。

【0055】

【数8】

【0056】

式（８）はどのような係数ρ０～ρ２ｍに対しても、分母の次数よりも分子の次数が大きくなることはないプロパな伝達関数であるため、計算機に容易に実装できる。ここで、伝達関数Ｆ（ρ）が安定なフィルタになるように、伝達関数の極（式（８）の分母部分の解）の実部が全て負になるように拘束条件を課すことが望ましい。このような拘束条件を課すことで、フィルタの伝達関数Ｆ（ρ）をコントローラに実装した際に、演算値が発散する現象を防止できる。
なお、式（８）の伝達関数の次数ｍが大きいほど実現可能なフィルタの幅は広がる。しかし、求めるべきパラメータ数が増加すると、計算時間が非常に長くなる可能性がある。このため、伝達関数の次数ｍもユーザインタフェース１から変更できるようにし、ユーザが望む実験の再現精度に応じて調整できるようにすることが望ましい。

【0057】

以上の演算を行うことで、式（７）の評価関数を最少化するようなフィルタＦが導出される。このフィルタＦを用いれば、以下の式（９）を利用することで目標信号の修正が実現できる。

【0058】

【数9】

【0059】

式（９）のｒが元の目標信号（第１目標信号）であり、ｒ’が修正後の目標信号（第２目標信号）である。

【0060】

上述の目標信号修正アルゴリズムによって実現される応答の様子を図５Ａ～図５Ｅに従って説明する。
図５Ａ～図５Ｅにおいて、実線はユーザが望む応答ｚｍであり、点線はフィードバック制御で実現される供試体１０の実際の応答ｚを示している。

【0061】

図５Ａは、第１目標信号ｒの修正を行わない場合に得られた波形の一例を示す図である。
図５Ｂは、特許文献１に開示される方法を適用した場合に得られる波形を示す図である。特許文献１に開示される手法では、最大変位が一致するように目標信号が補正されるものの、位相の改善は行われない。このため、図５Ｂに示すように、振幅は一致しているが位相が一致しない波形になる。

【0062】

図５Ｂの波形の場合、位相が一致していないため、各時刻で理想応答ｚｍ（式（２）より式（７）のＭｒに相当）と実際の供試体の応答ｚ（式（６）より式（７）のＦｚ１に相当）の差が大きい。式（７）の評価関数Ｊはユーザが望む波形ｚｍと実際の波形ｚの差の積分値（図５Ｃのハッチング箇所の面積）に相当するため、その値は大きくなる。
よって、評価関数Ｊを最少化するようにフィルタＦの設計を設計した場合、図５Ｂのような応答にはなりにくい。評価関数Ｊが小さくなるには各時刻での理想応答ｚｍと実際の供試体の応答ｚの差が小さくなる図５Ｄの応答が実現されるように目標信号が修正される必要がある。

【0063】

なお、フィルタの次数ｍが低い場合は、図５Ｄのように望みの応答を高精度に再現することは難しい。そのような場合、図５Ｅのように望みの応答からやや離れた応答になることが予測される。図５Ｅの評価関数Ｊの値は図５Ａ及び図５Ｂよりも小さくなるが、Ｊ＝０（図５Ｄ相当）になることはない。このような結果が得られた場合、オペレータはフィルタＦの次数ｍを上げることで、実現される応答を調整することができる。
以上のような仕組みによって、振幅（ゲイン）と位相を同時に所望の応答に調整できることが、本実施例の特徴である。
なお、式（８）において係数ρｉ（ｉ＝０～２ｍ）が全て１の場合、フィルタＦは１になるので、図４Ａと図４Ｂの供試体の変位ｚは同じである。すなわち、試験装置を最初に駆動する場合（試加振）であっても、フィルタＦが回路内に組み込まれていても良い。つまり、図４Ｂの制御回路を利用できる。

【0064】

第２目標信号設定部２ａ３は、フィルタ調整部２ａ２で算出した係数ρを反映したフィルタＦ（ρ）を利用して、第２目標信号ｒ’を算出する。上述の通り、第２目標信号ｒ’は式（９）に従って生成される。
設計したフィルタＦ（ρ）を適用したときに、実現される供試体の変位応答ｚ２は式（６）によって、試験装置を再度駆動する前に予測できる。
この予測結果（供試体の変位の予測値ｚ２）をモニタ表示部１ｄに送信し、モニタ表示部１ｄは予測結果を操作端末のモニタ上に描画（表示）する。オペレータが表示された予測値ｚ２が所望の試験パターンに十分に近いと判断したら、ユーザ操作部１ａからフィルタＦ（ρ）の反映を行う。この操作と連動して、目標信号切替部２ａ４で利用する目標信号を第２目標信号ｒ’へと切り替える。

【0065】

なお、モニタ表示部１ｄにおける予測値の表示方法は、図５Ｄ及び図５Ｅのような具体的な波形の比較でも良いし、波形の一致度合いを表す指標（例えば、平均二乗誤差や各時刻の誤差の最大値など）を算出して、その値を表示する構成としても良い。

【0066】

次に、本実施例の試験装置の駆動方法について説明する。図６は、振動試験装置の制御方法に係るフローチャートである。
まず、振動試験装置の立ち上げ準備として、ステップＳ１１にて、オペレータが各種設定を行う。これはオペレータがユーザインタフェース１を構成するユーザ操作部１ａを操作して、試験パターンを設定する操作に相当し、この操作を行うことで、第1目標信号設定部１ｂに試験パターン（第１目標信号）が設定される。換言すれば、ユーザインタフェース１を構成するユーザ操作部１ａが、オペレータによる試験パターン設定の操作を受け付け、第１目標信号設定部１ｂに試験パターン（第１目標信号）を出力することにより第1目標信号設定部１ｂに第１目標信号が設定される（初期設定）。
また、コントローラ２では、オペレータが第1目標信号設定部１ｂに試験パターン（第１目標信号）を設定したタイミングで、フィルタ設計部２ａを構成するフィルタ調整部２ａ２のフィルタＦ（式（８）の各係数ρｉ（ｉ＝０～２ｍ）を全て１に設定する。また、フィルタＦの次数ｍを初期値（例えば、ｍ＝３）のように設定する。このステップＳ１１の処理がすべて完了するとステップＳ１２に遷移する。

【0067】

ステップＳ１２では、第１目標信号設定部１ｂに設定された試験パターン（第１目標信号）を用いて試験装置駆動部が加振試験を実行する。
加振開始直前からフィルタ設計部２ａを構成する加振データ記憶部２ａ１が有効になり、加振パターン終了までの供試体の変位を、供試体変位検出部より取得し、記憶し続ける。このデータ記憶の動作がステップＳ１３の加振データ取得処理に相当する。

【0068】

次にステップＳ１４では、フィルタ設計部２ａを構成する加振データ記憶部２ａ１に実験データ（試加振時の供試体の変位ｚ１）が記憶されたら、フィルタ設計部２ａを構成するフィルタ調整部２ａ２は、このデータを利用してフィルタＦ（ρ）を設計する演算を開始する。具体的な処理は上述した通りであり、特定の評価関数（例えば、式（７））を最少化するように各係数ρｉ（ｉ＝０～２ｍ）を最適化する。最適化演算が終了するとステップＳ１５に遷移する。

【0069】

ステップＳ１５では、フィルタ設計部２ａを構成するフィルタ調整部２ａ２が、ステップＳ１４にて得られた各係数ρｉ（ｉ＝０～２ｍ）を反映したフィルタＦ（ρ）を適用したときに得られる供試体の変位の予測値ｚ２を式（６）に従って算出し，この結果をユーザインタフェース１に提示する。この予測処理は供試体変位予測部に相当する。また、ユーザインタフェース１への提示はモニタ表示部１ｄにより実行される。

【0070】

ステップＳ１６では、オペレータはユーザインタフェース１を構成するモニタ表示部１ｄに表示された供試体の変位の予測値ｚ２を確認して、フィルタＦ（ρ）利用時に得られる供試体応答が試験目的にマッチするかを判断する。換言すれば、ユーザインタフェース１を構成するモニタ表示部１ｄは、供試体の変位の予測値ｚ２を表示することで、オペレータの判断を支援する。試験目的にマッチすると判断した場合（ＹＥＳ）はステップＳ１８に遷移し、試験目的にマッチしない（ＮＯ）と判断した場合はステップＳ１７に遷移する。

【0071】

ステップＳ１７に遷移した場合、ステップＳ１１で設定したフィルタＦ（ρ）の次数ｍを変更する操作を行う。フィルタの次数が高いほどオペレータの判断する条件を達成し易くなるが、計算時間も増えるため、ｍの増加幅は「１」とすることが望ましい（例えば、初期設定（ステップＳ１１）でｍ＝３とした場合、ステップＳ１７でｍ＝４に変更する）。ステップＳ１７にて次数変更を実行した後、ステップＳ１４に戻り、再度フィルタＦ（ρ）の各係数の計算を行う。この処理は、ステップＳ１６にてオペレータがＹＥＳとの判断を行うまで、フィルタ次数ｍを増やして繰り返される。

【0072】

一方、ステップＳ１８に遷移した場合は、フィルタ設計部２ａを構成する第２目標信号設定部２ａ３が、フィルタＦ（ρ）を確定し、式（９）を用いて第２目標信号ｒ’を算出する。そしてステップＳ１９に遷移する。

【0073】

ステップＳ１９では、第２目標信号ｒ’が生成されたら、オペレータが本加振を行う。
試加振ではフィードバック制御部２ｂに第１目標信号ｒが送信され、本加振ではフィードバック制御部２ｂに第２目標信号ｒ’が送信される点に違いがあることに注意されたい。

【0074】

なお、本実施例では、フィルタ設計部２ａが目標信号切替部２ａ４を有する構成を説明したが、これに限られるものではない。例えば、フィルタ設計部２ａを構成する第２目標信号設定部２ａ３が算出した第２目標信号ｒ’をフィードバック制御部２ｂに送信する構成としても良い。

【0075】

以上の通り本実施例によれば、制御対象の逆伝達特性を求めることなく、できるだけ簡易な方法で、所望の供試体応答の実現、すなわち、変位の量（ゲイン）と位相の調整を可能にする振動試験装置及び振動試験装置の制御方法を提供することが可能となる。

【実施例2】

【0076】

図７は、本発明の他の実施例に係る実施例２の振動試験装置の機能ブロック図である。上述の実施例１では、コントローラ２がフィルタ設計部２ａを有する構成であるのに対し、本実施例では、ユーザインタフェース１がフィルタ設計部１ｃ０２を有する構成である点が、実施例1と異なる。実施例１と同様の構成要素に同一符号を付し、以下では、実施例１と重複する説明を省略する。

【0077】

図7に示すように、本実施例の振動試験装置は、ユーザインタフェース１及びコントローラ２を備える点では、上述の実施例１と同様であるため、以下では差異のみを説明する。

【0078】

本実施例の振動試験装置を構成するユーザインタフェース１は、ユーザ操作部１ａ、目標信号設定部１ｃ、及びモニタ表示部１ｄから構成されている。
目標信号設定部１ｃは、第1目標信号設定部１ｃ０１及びフィルタ設計部１ｃ０２を備える。フィルタ設計部１ｃ０２は、加振データ記憶部１ｃ０３、フィルタ調整部１ｃ０４、第２目標信号設定部１ｃ０５、及び目標信号切替部１ｃ０６を有する。加振データ記憶部１ｃ０３、フィルタ調整部１ｃ０４、第２目標信号設定部１ｃ０５、及び目標信号切替部１ｃ０６は、例えば、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサ、各種プログラムを格納するＲＯＭ、演算過程のデータを一時的に格納するＲＡＭ、外部記憶装置などの記憶装置にて実現されると共に、ＣＰＵなどのプロセッサがＲＯＭに格納された各種プログラムを読み出し実行し、実行結果である演算結果をＲＡＭ又は外部記憶装置に格納する。

【0079】

加振データ記憶部１ｃ０３は実施例１における加振データ記憶部２ａ１に、フィルタ調整部１ｃ０４は実施例１におけるフィルタ調整部２ａ２に、第２目標信号設定部１ｃ０５は、実施例１における第２目標信号設定部２ａ３に、目標信号切替部１ｃ０６は実施例１における目標信号切替部２ａ４にそれぞれ対応している。

【0080】

フィルタ設計部１ｃ０２は、実施例１におけるフィルタ設計部２ａに対応し、同様の機能を有しており、試加振で取得した供試体応答ｚ１を利用してフィルタＦ（ρ）を設計し、第２目標信号ｒ’を式（９）で算出する。

【0081】

コントローラ２、はユーザインタフェース１から受け取った目標信号に従ってフィードバック制御部２ｃでフィードバック制御を実行する。フフィードバック制御部２ｃは図３のフィードバック制御部２ｂと同様である。

【0082】

すなわち、図３に示される実施例１のフィルタ設計部２ａと図７に示される本実施例のフィルタ設計部１ｃ０２との差はフィルタ設計部が、ユーザインタフェース１に実装されるか、コントローラ２に実装されるかが異なるのみで、本質的には同様である。このため、実現される本実施例の振動試験装置の動作は、実施例１と全く同じになる。
このように、本実施例の振動試験装置の構成であれば、仮にコントローラ２のプログラムの書き換えが困難な場合であっても、ユーザインタフェース１のプログラムを書き換えることで、上述の実施例１と同様の供試体応答の改善を実現できる点にメリットがある。

【0083】

なお、図８は、図７に示す実施例２の振動試験装置の変形例を示す図である。図８に示すように、ユーザインタフェース１とコントローラ２に加えて、フィルタ設計部１１ａ（図３におけるフィルタ設計部２ａ，図７におけるフィルタ設計部１ｃ０２)の機能を有する目標信号変換器１１を別端末として組み込んだ振動試験装置においても同様の機能を提供できる。

【0084】

本実施例によれば、実施例１の効果に加え、既設の振動試験装置など、コントローラ２のプログラムを更新することが困難なサイトであっても、供試体応答の改善を容易に実現することが可能となる。

【実施例3】

【0085】

図９は、本発明の他の実施例に係る実施例３の目標信号切替部の概略構成図である。上述の実施例１及び実施例２では、供試体の応答を取得するための試加振をオペレータが定めた第１目標信号ｒで振動試験装置を駆動していることを前提としている。このような試加振を行うには、供試体が破損或いは塑性変形をしないことが前提条件となる。本実施例では、供試体がこのような条件を満足しない場合に好適な供試体応答調整を可能とする目標信号切替部を有する点が実施例１及び実施例２と異なる。実施例１と同様の構成要素に同一符号を付し、以下では、実施例１と重複する説明を省略する。

【0086】

上述の実施例１及び実施例２の振動試験装置及び供試体の応答が、図４Ａ及び図４Ｂに示すような伝達関数のブロック線図で表現できることを仮定している。すなわち、振動試験装置及び供試体共に線形性が成立することを前提としている。線形性が成立する場合、目標信号ｒをスケーリング係数Ｓ（０＜Ｓ≦１）でＳ倍して、目標信号をＳｒとして加振したデータでフィルタＦ（ρ）を算出しても、目標信号ｒをそのまま利用して加振したデータでフィルタＦ（ρ）を算出した場合と同じρが求まることが知られている（非特許文献２）。

【0087】

本実施例では、この事実を利用したものであり、図３の目標信号切替部２ａ４を図９に示す構成で実現する。
本実施例の目標信号切替部２ａ４は、第1目標信号設定部１ｂ、第２目標信号設定部２ａ３、及びユーザ操作部１ａの各種信号を入力とする。本実施例の目標信号切替部２ａ４は、スケーリング２ａ４―１及びスイッチ２ａ４―２から構成される。

【0088】

試加振時は、第1目標信号設定部１ｂで設定された第１目標信号ｒに係数Ｓでスケーリングを行った目標信号Ｓｒをフィードバック制御部２ｂに送信する。例えば、Ｓを０．１と設定すれば、微小変位で供試体が加振されるため、試加振時に供試体が破損する可能性が大きく低減する。

【0089】

一方、本加振時は、第２目標信号設定部２ａ３で設定された第２目標信号ｒ’をスケーリングすることなく、フィードバック制御部２ｂに送信する。これにより、本加振時はオペレータが意図した試験パターンを実際に実行することができる。

【0090】

本実施例によれば、実施例１の効果に加え、試加振時に供試体が破損する可能性が大きく低減することが可能となる。

【0091】

本発明は駆動方式が油圧ピストンに限られるものではなく、電動式の直動アクチュエータであっても適用することができる。

【0092】

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。

【符号の説明】

【0093】

１…ユーザインタフェース
１ａ…ユーザ操作部
１ｂ，１ｃ０１…第1目標信号設定部
１ｃ…目標信号設定部
１ｄ…モニタ表示部
２…コントローラ
２ａ，１ｃ０２，１１ａ…フィルタ設計部
２ｂ，２ｃ…フィードバック制御部
２ａ１，１ｃ０３，１１ａ１…加振データ記憶部
２ａ２，１ｃ０４，１１ａ２…フィルタ調整部
２ａ３，１ｃ０５，１１ａ３…第２目標信号設定部
２ａ４，１ｃ０６，１１ａ４…目標信号切替部
２ａ４―１…スケーリング
２ａ４―２…スイッチ
３…サーボアンプ
４…サーボバルブ
５…油圧源
６…油圧シリンダ
７…油圧ピストン
８…カップリング
９…テーブル
１０…供試体
１１…目標信号変換器
Ｓ０１…温度センサ
Ｓ０２…流量センサ
Ｓ０３…速度センサ
Ｓ０４…変位センサ
Ｓ０５…圧力センサ
Ｓ０６…加速度センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図5E】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】