本發(fā)明涉及振動控制、環(huán)境試驗技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于系統(tǒng)解耦的幅值和相位實時修正的控制算法，能實現(xiàn)高精度的雙軸正弦波的幅值和相位協(xié)同控制的電液伺服雙軸疲勞試驗裝置的正弦波幅值和相位控制方法。

背景技術(shù)：

疲勞失效是汽車結(jié)構(gòu)件最主要的破壞形式之一。在實驗室對試件進行疲勞試驗對于研究試件的疲勞特性和疲勞壽命曲線有著重要的意義。實驗室疲勞試驗方法和精確度是試件疲勞壽命的預(yù)測關(guān)鍵，利于預(yù)防和解決試件在循環(huán)載荷下的疲勞失效問題，提高其可靠性能。

汽車零部件在工作條件中，通常受到高溫和多軸的復(fù)雜交變載荷的作用，單軸的疲勞試驗不能準(zhǔn)確預(yù)測試件的疲勞壽命，雙軸試驗相比單軸試驗?zāi)芨玫啬M試件在實際工作環(huán)境中的疲勞失效問題。

針對疲勞試驗中應(yīng)用最多的正弦波，單軸試驗只需控制正弦波的幅值即可滿足試驗要求，而雙軸疲勞試驗需要產(chǎn)生幅值和相位差均可控的雙通道的正弦波，通道間也會存在較強的耦合作用，為試驗控制方法加大了試驗難度。

目前在液壓伺服控制中應(yīng)用最廣泛的是pid控制。傳統(tǒng)的pid控制無法對系統(tǒng)幅頻特性衰減和相頻特性滯后的情況做出改善，使得系統(tǒng)頻寬很低，難以滿足動態(tài)測試的要求；同時，pid控制也無法對系統(tǒng)的時變特性做出補償。此外，雙軸控制系統(tǒng)存在通道間的耦合作用，需要對系統(tǒng)進行解耦。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的是為了克服傳統(tǒng)pid控制動態(tài)特性差、不能對系統(tǒng)時變特性做出補償、無法滿足多通道控制精度要求的不足，提供了一種基于系統(tǒng)解耦的幅值和相位實時修正的控制算法，能實現(xiàn)高精度的雙軸正弦波的幅值和相位協(xié)同控制的電液伺服雙軸疲勞試驗裝置的正弦波幅值和相位控制方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種電液伺服雙軸疲勞試驗裝置的正弦波幅值和相位控制方法，包括基座，設(shè)于基座上的支架，設(shè)于支架上的橫向液壓缸和豎向液壓缸，分別設(shè)于橫向液壓缸和豎向液壓缸上的2個電液伺服閥，分別設(shè)于橫向液壓缸和豎向液壓缸上的2個力傳感器，2個模擬pid控制器，多軸數(shù)字控制器和夾具；橫向液壓缸和豎向液壓缸和夾具均與試件連接；

多軸數(shù)字控制器分別與2個模擬pid控制器和2個力傳感器電連接，2個模擬pid控制器分別與2個電液伺服閥和2個力傳感器電連接；

包括如下步驟：

(1-1)辨識與解耦；

(1-2)計算幅值和相位；

(1-3)修正指令譜向量；

(1-4)pid控制；

(1-5)使k值增加1之后，返回步驟(1-2)。

兩組液壓缸、電液伺服閥、力傳感器、模擬pid伺服控制器分別組成垂直方向和水平方向的閉環(huán)伺服加載系統(tǒng)。多軸數(shù)字控制器的兩個輸入通道分別接兩個力傳感器，兩個輸出通道分別接兩個電液伺服閥。

多軸數(shù)字控制器對采集的數(shù)據(jù)實時處理和修正，發(fā)出實時修正的指令信號，指令信號作為模擬pid控制的伺服系統(tǒng)的輸入?yún)⒖夹盘?，從而對兩個液壓缸輸出力的波形進行精確的協(xié)同控制。

控制算法流程包括系統(tǒng)辨識與解耦、幅值和相位計算、指令譜向量修正、pid控制。

本發(fā)明采用模擬pid閉環(huán)伺服控制與數(shù)字迭代修正控制方法相結(jié)合的方案，提供了一種基于系統(tǒng)解耦的幅值和相位實時修正的控制算法，通過系統(tǒng)辨識和解耦、復(fù)現(xiàn)正弦信號幅值相位的實時計算、指令譜向量的實時迭代修正，消除了多輸入多輸出通道間的耦合關(guān)系，克服了系統(tǒng)頻寬的限制，對幅值和相位同時補償，能實現(xiàn)高精度的雙軸正弦波的幅值和相位的協(xié)同控制。

作為優(yōu)選，所述步驟(1-1)包括如下步驟：

(2-1)多軸數(shù)字控制器將兩路互不相關(guān)的白噪聲x1，x2分別輸給2個模擬pid控制器，多軸數(shù)字控制器采集兩個力傳感器的反饋數(shù)據(jù)y1，y2；

(2-2)設(shè)定系統(tǒng)頻響函數(shù)矩陣估計為

其中，為xi和yi間的頻響函數(shù)估計，為輸入信號xi和輸出信號yj的互功率譜估計，為輸入信號xi的自功率譜估計；

(2-3)利用公式計算頻響矩陣的逆矩陣z(f)，設(shè)定z(f)為阻抗矩陣；

(2-4)利用公式d(f)＝z(f)r(f)計算第一幀指令譜向量dk(f)，k＝1；

(2-5)設(shè)dk(f)＝[a1+jb1，a2+jb2]^t，則其幅值分別為：

相位分別為：

(2-6)設(shè)采樣率為fs，幀數(shù)據(jù)點數(shù)為n，正弦信號頻率為f，計算雙軸指令信號序列x1k(n)和x2k(n)；n＝1，2，…，n；

(2-7)x1k(n)和x2k(n)經(jīng)多軸數(shù)字控制器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器d/a轉(zhuǎn)換后變?yōu)閤1k(t)，x2k(t)，并依次分別輸出給2個模擬pid控制器，2個力傳感器采集反饋的輸出y1k(t)，y2k(t)分別輸送給2個模擬pid控制器，2個模擬pid控制器用模擬電路實現(xiàn)將x1k(t)，x2k(t)分別與y1k(t)，y2k(t)作差，2個模擬pid控制器分別發(fā)出相應(yīng)的電流信號控制2個電液伺服閥，驅(qū)動液壓缸作動，形成模擬pid閉環(huán)控制；第k幀采集到的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后分別記為y1k(n)y2k(n)；

(2-8)多軸控制器在發(fā)出x1k(n)，x2k(n)和采集y1k(n)，y2k(n)的同時，使dk+1(f)＝dk(f)；

利用步驟(2-5)和(2-6)中的公式計算x1(k+1)(n)和x2(k+1)(n)；當(dāng)?shù)趉幀數(shù)據(jù)發(fā)送和采集完畢，多軸控制器將x1(k+1)(n)，x2(k+1)(n)逐點發(fā)給2個模擬pid控制器。

作為優(yōu)選，所述步驟(1-2)包括如下步驟：

假設(shè)第k幀信號傳感器反饋的響應(yīng)信號a1為第k幀響應(yīng)信號y1k(n)的幅值，φ1為第k幀響應(yīng)信號y1k(n)的初相位；a2為第k幀響應(yīng)信號y2k(n)的幅值，φ2為第k幀響應(yīng)信號y2k(n)的初相位；

將y1k(n)分別與和相乘，得到：

和

將α1k(n)和β1k(n)經(jīng)多軸數(shù)字控制器進行低通濾波后，得到印兩個直流分量，利用公式計算力傳感器反饋信號的幅值利用公式計算力傳感器反饋信號的相位

將y2k(n)分別與和相乘，得到：

和

將α2k(n)和β2k(n)經(jīng)多軸數(shù)字控制器進行低通濾波后，得到和兩個直流分量，利用公式計算力傳感器反饋信號的幅值利用公式計算力傳感器反饋信號的相位

作為優(yōu)選，所述步驟(1-3)包括如下步驟：

利用公式e(f)＝r(f)-c(f)計算誤差譜向量，其中，c(f)為響應(yīng)譜向量，c(f)由和計算得到；

利用公式dk+2(f)＝dk+1(f)+qz(f)e(f)計算第k+2幀的指令譜向量dk+2(f)；

其中，q為迭代增益矩陣，取dk+1(f)為當(dāng)前幀的指令譜向量；

利用下述公式計算x1(k+2)(n)和x2(k+2)(n)：

其中，設(shè)定dk+2(f)＝[a1′+jb1′，a2′+jb2′]，則其幅值分別為

相位分別為

作為優(yōu)選，所述步驟(1-4)包括如下步驟：

當(dāng)?shù)趉+1幀數(shù)據(jù)發(fā)送和采集完畢，將x1(k+2)(n)和x2(k+2)(n)經(jīng)多軸數(shù)字控制器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器d/a轉(zhuǎn)換后變?yōu)閤1(k+2)(t)，x2(k+2)(t)，并依次分別輸出給2個模擬pid控制器，2個力傳感器采集反饋的輸出y1(k+2)(t)，y2(k+2)(t)給2個模擬pid控制器，2個模擬pid控制器用模擬電路實現(xiàn)將x1(k+2)(t)，x2(k+2)(t)，分別與y1(k+2)(t)，y2(k+2)(t)作差，2個模擬pid控制器分別發(fā)出相應(yīng)的電流信號控制2個電液伺服閥，驅(qū)動液壓缸作動，形成模擬pid閉環(huán)控制。

作為優(yōu)選，使k值增加1之后，重復(fù)(1-2)到(1-4)的步驟。

因此，本發(fā)明具有如下有益效果：采用模擬pid閉環(huán)伺服控制與數(shù)字迭代修正控制方法相結(jié)合的方案，是基于系統(tǒng)解耦的幅值和相位實時修正的控制算法，通過系統(tǒng)辨識和解耦、復(fù)現(xiàn)正弦信號幅值相位的實時計算、指令譜向量的實時迭代修正，消除了多輸入多輸出通道間的耦合關(guān)系，克服了系統(tǒng)頻寬的限制，對幅值和相位同時補償，能實現(xiàn)高精度的雙軸正弦波的幅值和相位的協(xié)同控制。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種正視圖；

圖2是本發(fā)明的一種俯視圖；

圖3是本發(fā)明的汽車排氣管和夾具的一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明的一種原理框圖；

圖5是本發(fā)明的一種流程圖。

圖中：基座1、支架2、橫向液壓缸3、豎向液壓缸4、電液伺服閥5、力傳感器6、模擬pid控制器7、多軸數(shù)字控制器8、夾具9、汽車排氣管11、懸臂管12、萬向球鉸13、左立柱31、右立柱32、橫梁33、輔助結(jié)構(gòu)311、連接件331。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型做進一步的描述。

如圖1、圖2、圖3所示的電液伺服雙軸疲勞試驗裝置的正弦波幅值和相位控制方法，電液伺服雙軸疲勞試驗裝置包括基座1，設(shè)于基座上的支架2，設(shè)于支架上的橫向液壓缸3和豎向液壓缸4，分別設(shè)于橫向液壓缸和豎向液壓缸上的2個電液伺服閥5，分別設(shè)于橫向液壓缸和豎向液壓缸上的2個力傳感器6，2個模擬pid控制器7，多軸數(shù)字控制器8和夾具9；橫向液壓缸和豎向液壓缸和夾具均與試件連接；

如圖1所示，支架包括左立柱31、右立柱32和設(shè)于左立柱、右立柱上的橫梁33。橫向液壓缸位于左立柱下部，左立柱上設(shè)有用于固定橫向液壓缸的輔助結(jié)構(gòu)311。豎向液壓缸上部通過連接件331與橫梁連接。

如圖4所示，多軸數(shù)字控制器分別與2個模擬pid控制器和2個力傳感器電連接，2個模擬pid控制器分別與2個電液伺服閥和2個力傳感器電連接；

將如圖3所示的汽車排氣管11固定端用夾具9固定在基座上，加載端為懸臂管12，加載端通過夾具與橫向液壓缸和豎向液壓缸的萬向球鉸13相連，在液壓缸出桿和球鉸間安裝有力傳感器，采集加載力信號用于反饋控制；在液壓缸、力傳感器和試件安裝時，萬向球鉸可以轉(zhuǎn)動一定角度，使得螺紋孔安裝平面與夾具平面貼合，萬向球鉸的設(shè)計簡化了安裝難度并保證了載荷軸向的精度。

垂直與水平兩個正交液壓缸進行雙軸同時加載，并作用在同一激振點上，激振點位于汽車排氣管懸臂梁上，激振點到焊縫處的距離即為加載的力臂。通過對兩個正交方向力波形的幅值和相位的控制，理論上兩個方向的力疊加可以產(chǎn)生加載平面內(nèi)任意方向的力，對懸臂管產(chǎn)生規(guī)定大小與方向的動態(tài)彎矩。

如圖3所示，本實施例的汽車排氣管在a、b兩處被夾具9約束，約束位置距離試驗考察部位距離為x2，兩個正交向油缸作用在同一個施力點k上，施力點k到焊縫處的距離為x1。兩個正交液壓缸分別在施力點k處產(chǎn)生幅值相等，相位差為90度的循環(huán)載荷f。

在垂直和水平方向同時加載相同幅值和頻率、相位差90度的正弦載荷。假定垂直方向載荷波形為asinωt，那么水平方向載荷波形為acosωt，垂直和水平方向的合力在任何時刻幅值都為a，而合力方向隨時間圍繞圓周勻速轉(zhuǎn)動，即試件應(yīng)力與應(yīng)變主軸在沿激振力所在平面不斷旋轉(zhuǎn)。

如圖5所示，包括如下步驟：

步驟100，辨識與解耦；

(2-1)多軸數(shù)字控制器將兩路互不相關(guān)的白噪聲x1，x2分別輸給2個模擬pid控制器，多軸數(shù)字控制器采集兩個力傳感器的反饋數(shù)據(jù)y1，y2；

(2-2)設(shè)定系統(tǒng)頻響函數(shù)矩陣估計為

其中，為xi和yi間的頻響函數(shù)估計，為輸入信號xi和輸出信號yj的互功率譜估計，為輸入信號xi的自功率譜估計；

(2-3)利用公式計算頻響矩陣的逆矩陣z(f)，設(shè)定z(f)為阻抗矩陣；

(2-4)利用公式d(f)＝z(f)r(f)計算第一幀指令譜向量dk(f)，k＝1；

(2-5)設(shè)dk(f)＝[a1+jb1，a2+jb2]^t，則其幅值分別為：

相位分別為：

(2-6)設(shè)采樣率為fs，幀數(shù)據(jù)點數(shù)為n，正弦信號頻率為f，計算雙軸指令信號序列x1k(n)和x2k(n)；n＝1，2，…，n；

(2-7)x1k(n)和x2k(n)經(jīng)多軸數(shù)字控制器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器d/a轉(zhuǎn)換后變?yōu)閤1k(t)，x2k(t)，并依次分別輸出給2個模擬pid控制器，2個力傳感器采集反饋的輸出y1k(t)，y2k(t)分別輸送給2個模擬pid控制器，2個模擬pid控制器用模擬電路實現(xiàn)將x1k(t)，x2k(t)分別與y1k(t)，y2k(t)作差，2個模擬pid控制器分別發(fā)出相應(yīng)的電流信號控制2個電液伺服閥，驅(qū)動液壓缸作動，形成模擬pid閉環(huán)控制；第k幀采集到的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后分別記為y1k(n)y2k(n)；

(2-8)多軸控制器在發(fā)出x1k(n)，x2k(n)和采集y1k(n)，y2k(n)的同時，使dk+1(f)＝dk(f)；

利用步驟(2-5)和(2-6)中的公式計算x1(k+1)(n)和x2(k+1)(n)；當(dāng)?shù)趉幀數(shù)據(jù)發(fā)送和采集完畢，多軸控制器將x1(k+1)(n)，x2(k+1)(n)逐點發(fā)給2個模擬pid控制器。

步驟200，計算幅值和相位；

所述步驟(1-2)包括如下步驟：

假設(shè)第k幀信號傳感器反饋的響應(yīng)信號a1為第k幀響應(yīng)信號y1k(n)的幅值，φ1為第k幀響應(yīng)信號y1k(n)的初相位；a2為第k幀響應(yīng)信號y2k(n)的幅值，φ2為第k幀響應(yīng)信號y2k(n)的初相位；

將y1k(n)分別與和相乘，得到：

和

將α1k(n)和β1k(n)經(jīng)多軸數(shù)字控制器進行低通濾波后，得到和兩個直流分量，利用公式計算力傳感器反饋信號的幅值利用公式計算力傳感器反饋信號的相位

將y2k(n)分別與和相乘，得到：

和

將α2k(n)和β2k(n)經(jīng)多軸數(shù)字控制器進行低通濾波后，得到和兩個直流分量，利用公式計算力傳感器反饋信號的幅值利用公式計算力傳感器反饋信號的相位

步驟300，修正指令譜向量；

利用公式e(f)＝r(f)-c(f)計算誤差譜向量，其中，c(f)為響應(yīng)譜向量，c(f)由和計算得到；

利用公式dk+2(f)＝dk+1(f)+qz(f)e(f)計算第k+2幀的指令譜向量dk+2(f)；

其中，q為迭代增益矩陣，取dk+1(f)為當(dāng)前幀的指令譜向量；

利用下述公式計算x1(k+2)(n)和x2(k+2)(n)：

其中，設(shè)定dk+2(f)＝[a1′+jb1′，a2′+jb2′]，則其幅值分別為

相位分別為

步驟400，pid控制

當(dāng)?shù)趉+1幀數(shù)據(jù)發(fā)送和采集完畢，將x1(k+2)(n)和x2(k+2)(n)經(jīng)多軸數(shù)字控制器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器d/a轉(zhuǎn)換后變?yōu)閤1(k+2)(t)，x2(k+2)(t)，并依次分別輸出給2個模擬pid控制器，2個力傳感器采集反饋的輸出y1(k+2)(t)，y2(k+2)(t)給2個模擬pid控制器，2個模擬pid控制器用模擬電路實現(xiàn)將x1(k+2)(t)，x2(k+2)(t)，分別與y1(k+2)(t)，y2(k+2)(t)作差，2個模擬pid控制器分別發(fā)出相應(yīng)的電流信號控制2個電液伺服閥，驅(qū)動液壓缸作動，形成模擬pid閉環(huán)控制。

使k值增加1之后，返回步驟200。

應(yīng)理解，本實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。