CN107084896B - 电液伺服双轴疲劳试验装置的正弦波幅值和相位控制方法 - Google Patents

电液伺服双轴疲劳试验装置的正弦波幅值和相位控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电液伺服双轴疲劳试验装置的正弦波幅值和相位控制方法，包括基座，设于基座上的支架，设于支架上的横向液压缸和竖向液压缸，分别设于横向液压缸和竖向液压缸上的2个电液伺服阀，分别设于横向液压缸和竖向液压缸上的2个力传感器，2个模拟PID控制器，多轴数字控制器和夹具；横向液压缸和竖向液压缸和夹具均与试件连接。本发明具有实现高精度的双轴正弦波的幅值和相位的协同控制的特点。

Description

电液伺服双轴疲劳试验装置的正弦波幅值和相位控制方法
技术领域
本发明涉及振动控制、环境试验技术和数据处理技术领域，尤其是涉及一种基于系统解耦的幅值和相位实时修正的控制算法，能实现高精度的双轴正弦波的幅值和相位协同控制的电液伺服双轴疲劳试验装置的正弦波幅值和相位控制方法。
背景技术
疲劳失效是汽车结构件最主要的破坏形式之一。在实验室对试件进行疲劳试验对于研究试件的疲劳特性和疲劳寿命曲线有着重要的意义。实验室疲劳试验方法和精确度是试件疲劳寿命的预测关键，利于预防和解决试件在循环载荷下的疲劳失效问题，提高其可靠性能。
汽车零部件在工作条件中，通常受到高温和多轴的复杂交变载荷的作用，单轴的疲劳试验不能准确预测试件的疲劳寿命，双轴试验相比单轴试验能更好地模拟试件在实际工作环境中的疲劳失效问题。
针对疲劳试验中应用最多的正弦波，单轴试验只需控制正弦波的幅值即可满足试验要求，而双轴疲劳试验需要产生幅值和相位差均可控的双通道的正弦波，通道间也会存在较强的耦合作用，为试验控制方法加大了试验难度。
目前在液压伺服控制中应用最广泛的是PID控制。传统的PID控制无法对系统幅频特性衰减和相频特性滞后的情况做出改善，使得系统频宽很低，难以满足动态测试的要求；同时，PID控制也无法对系统的时变特性做出补偿。此外，双轴控制系统存在通道间的耦合作用，需要对系统进行解耦。
发明内容
本发明的发明目的是为了克服传统PID控制动态特性差、不能对系统时变特性做出补偿、无法满足多通道控制精度要求的不足，提供了一种基于系统解耦的幅值和相位实时修正的控制算法，能实现高精度的双轴正弦波的幅值和相位协同控制的电液伺服双轴疲劳试验装置的正弦波幅值和相位控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种电液伺服双轴疲劳试验装置的正弦波幅值和相位控制方法，包括基座，设于基座上的支架，设于支架上的横向液压缸和竖向液压缸，分别设于横向液压缸和竖向液压缸上的2个电液伺服阀，分别设于横向液压缸和竖向液压缸上的2个力传感器，2个模拟PID控制器，多轴数字控制器和夹具；横向液压缸和竖向液压缸和夹具均与试件连接；
多轴数字控制器分别与2个模拟PID控制器和2个力传感器电连接，2个模拟PID控制器分别与2个电液伺服阀和2个力传感器电连接；
包括如下步骤：
(1-1)辨识与解耦；
(1-2)计算幅值和相位；
(1-3)修正指令谱向量；
(1-4)PID控制；
(1-5)使k值增加1之后，返回步骤(1-2)。
两组液压缸、电液伺服阀、力传感器、模拟PID伺服控制器分别组成垂直方向和水平方向的闭环伺服加载系统。多轴数字控制器的两个输入通道分别接两个力传感器，两个输出通道分别接两个电液伺服阀。
多轴数字控制器对采集的数据实时处理和修正，发出实时修正的指令信号，指令信号作为模拟PID控制的伺服系统的输入参考信号，从而对两个液压缸输出力的波形进行精确的协同控制。
控制算法流程包括系统辨识与解耦、幅值和相位计算、指令谱向量修正、PID控制。
本发明采用模拟PID闭环伺服控制与数字迭代修正控制方法相结合的方案，提供了一种基于系统解耦的幅值和相位实时修正的控制算法，通过系统辨识和解耦、复现正弦信号幅值相位的实时计算、指令谱向量的实时迭代修正，消除了多输入多输出通道间的耦合关系，克服了系统频宽的限制，对幅值和相位同时补偿，能实现高精度的双轴正弦波的幅值和相位的协同控制。
作为优选，所述步骤(1-1)包括如下步骤：
(2-1)多轴数字控制器将两路互不相关的白噪声x1，x2分别输给2 个模拟PID控制器，多轴数字控制器采集两个力传感器的反馈数据 y1，y2；
(2-2)设定系统频响函数矩阵估计为
其中， 为xi和yi间的频响函数估计，为输入信号xi和输出信号yj的互功率谱估计，为输入信号xi的自功率谱估计；
(2-3)利用公式计算频响矩阵的逆矩阵Z(f)，设定Z(f)为阻抗矩阵；
(2-4)利用公式D(f)＝Z(f)R(f)计算第一帧指令谱向量Dk(f)，k＝1；
(2-5)设Dk(f)＝[a1+jb1，a2+jb2]T，则其幅值分别为：
相位分别为：
(2-6)设采样率为fs，帧数据点数为N，正弦信号频率为f，计算双轴指令信号序列x1k(n)和x2k(n)；n＝1，2，…，N；
(2-7)x1k(n)和x2k(n)经多轴数字控制器的数模转换器D/A转换后变为x1k(t)，x2k(t)，并依次分别输出给2个模拟PID控制器，2个力传感器采集反馈的输出y1k(t)，y2k(t)分别输送给2个模拟PID控制器，2 个模拟PID控制器用模拟电路实现将x1k(t)，x2k(t)分别与y1k(t)，y2k(t) 作差，2个模拟PID控制器分别发出相应的电流信号控制2个电液伺服阀，驱动液压缸作动，形成模拟PID闭环控制；第k帧采集到的传感器数据经A/D转换后分别记为y1k(n)y2k(n)；
(2-8)多轴控制器在发出x1k(n)，x2k(n)和采集y1k(n)，y2k(n)的同时，使Dk+1(f)＝Dk(f)；
利用步骤(2-5)和(2-6)中的公式计算x1(k+1)(n)和x2(k+1)(n)；当第k帧数据发送和采集完毕，多轴控制器将x1(k+1)(n)，x2(k+1)(n)逐点发给2个模拟PID控制器。
作为优选，所述步骤(1-2)包括如下步骤：
假设第k帧信号传感器反馈的响应信号 A1为第k帧响应信号y1k(n)的幅值，φ1为第k帧响应信号y1k(n)的初相位；A2为第k帧响应信号y2k(n)的幅值，φ2为第k帧响应信号y2k(n)的初相位；
将y1k(n)分别与和相乘，得到：
和
将α1k(n)和β1k(n)经多轴数字控制器进行低通滤波后，得到印两个直流分量，利用公式计算力传感器反馈信号的幅值利用公式计算力传感器反馈信号的相位
将y2k(n)分别与和相乘，得到：
和
将α2k(n)和β2k(n)经多轴数字控制器进行低通滤波后，得到和两个直流分量，利用公式计算力传感器反馈信号的幅值利用公式计算力传感器反馈信号的相位
作为优选，所述步骤(1-3)包括如下步骤：
利用公式E(f)＝R(f)-C(f)计算误差谱向量，其中，C(f)为响应谱向量，C(f)由和计算得到；
利用公式Dk+2(f)＝Dk+1(f)+QZ(f)E(f)计算第k+2帧的指令谱向量 Dk+2(f)；
其中，Q为迭代增益矩阵，取Dk+1(f)为当前帧的指令谱向量；
利用下述公式计算x1(k+2)(n)和x2(k+2)(n)：
其中，设定Dk+2(f)＝[a1′+jb1′，a2′+jb2′]，则其幅值分别为
相位分别为
作为优选，所述步骤(1-4)包括如下步骤：
当第k+1帧数据发送和采集完毕，将x1(k+2)(n)和x2(k+2)(n)经多轴数字控制器的数模转换器D/A转换后变为x1(k+2)(t)，x2(k+2)(t)，并依次分别输出给2个模拟PID控制器，2个力传感器采集反馈的输出y1(k+2)(t)， y2(k+2)(t)给2个模拟PID控制器，2个模拟PID控制器用模拟电路实现将x1(k+2)(t)，x2(k+2)(t)，分别与y1(k+2)(t)，y2(k+2)(t)作差，2个模拟PID控制器分别发出相应的电流信号控制2个电液伺服阀，驱动液压缸作动，形成模拟PID闭环控制。
作为优选，使k值增加1之后，重复(1-2)到(1-4)的步骤。
因此，本发明具有如下有益效果：采用模拟PID闭环伺服控制与数字迭代修正控制方法相结合的方案，是基于系统解耦的幅值和相位实时修正的控制算法，通过系统辨识和解耦、复现正弦信号幅值相位的实时计算、指令谱向量的实时迭代修正，消除了多输入多输出通道间的耦合关系，克服了系统频宽的限制，对幅值和相位同时补偿，能实现高精度的双轴正弦波的幅值和相位的协同控制。
附图说明
图1是本发明的一种正视图；
图2是本发明的一种俯视图；
图3是本发明的汽车排气管和夹具的一种结构示意图。
图4是本发明的一种原理框图；
图5是本发明的一种流程图。
图中：基座1、支架2、横向液压缸3、竖向液压缸4、电液伺服阀5、力传感器6、模拟PID控制器7、多轴数字控制器8、夹具9、汽车排气管11、悬臂管12、万向球铰13、左立柱31、右立柱32、横梁33、辅助结构311、连接件331。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明 做进一步的描述。
如图1、图2、图3所示的电液伺服双轴疲劳试验装置的正弦波幅值和相位控制方法，电液伺服双轴疲劳试验装置包括基座1，设于基座上的支架2，设于支架上的横向液压缸3和竖向液压缸4，分别设于横向液压缸和竖向液压缸上的2个电液伺服阀5，分别设于横向液压缸和竖向液压缸上的2个力传感器6，2个模拟PID控制器7，多轴数字控制器8和夹具9；横向液压缸和竖向液压缸和夹具均与试件连接；
如图1所示，支架包括左立柱31、右立柱32和设于左立柱、右立柱上的横梁33。横向液压缸位于左立柱下部，左立柱上设有用于固定横向液压缸的辅助结构311。竖向液压缸上部通过连接件331与横梁连接。
如图4所示，多轴数字控制器分别与2个模拟PID控制器和2个力传感器电连接，2个模拟PID控制器分别与2个电液伺服阀和2个力传感器电连接；
将如图3所示的汽车排气管11固定端用夹具9固定在基座上，加载端为悬臂管12，加载端通过夹具与横向液压缸和竖向液压缸的万向球铰13相连，在液压缸出杆和球铰间安装有力传感器，采集加载力信号用于反馈控制；在液压缸、力传感器和试件安装时，万向球铰可以转动一定角度，使得螺纹孔安装平面与夹具平面贴合，万向球铰的设计简化了安装难度并保证了载荷轴向的精度。
垂直与水平两个正交液压缸进行双轴同时加载，并作用在同一激振点上，激振点位于汽车排气管悬臂梁上，激振点到焊缝处的距离即为加载的力臂。通过对两个正交方向力波形的幅值和相位的控制，理论上两个方向的力叠加可以产生加载平面内任意方向的力，对悬臂管产生规定大小与方向的动态弯矩。
如图3所示，本实施例的汽车排气管在A、B两处被夹具9约束，约束位置距离试验考察部位距离为X2，两个正交向油缸作用在同一个施力点K上，施力点K到焊缝处的距离为X1。两个正交液压缸分别在施力点K处产生幅值相等，相位差为90度的循环载荷F。
在垂直和水平方向同时加载相同幅值和频率、相位差90度的正弦载荷。假定垂直方向载荷波形为A sin ωt，那么水平方向载荷波形为 A cos ωt，垂直和水平方向的合力在任何时刻幅值都为A，而合力方向随时间围绕圆周匀速转动，即试件应力与应变主轴在沿激振力所在平面不断旋转。
如图5所示，包括如下步骤：
步骤100，辨识与解耦；
(2-1)多轴数字控制器将两路互不相关的白噪声x1，x2分别输给2 个模拟PID控制器，多轴数字控制器采集两个力传感器的反馈数据 y1，y2；
(2-2)设定系统频响函数矩阵估计为
其中， 为xi和yi间的频响函数估计，为输入信号xi和输出信号yj的互功率谱估计，为输入信号xi的自功率谱估计；
(2-3)利用公式计算频响矩阵的逆矩阵Z(f)，设定Z(f)为阻抗矩阵；
(2-4)利用公式D(f)＝Z(f)R(f)计算第一帧指令谱向量Dk(f)，k＝1；
(2-5)设Dk(f)＝[a1+jb1，a2+jb2]T，则其幅值分别为：
相位分别为：
(2-6)设采样率为fs，帧数据点数为N，正弦信号频率为f，计算双轴指令信号序列x1k(n)和x2k(n)；n＝1，2，…，N；
(2-7)x1k(n)和x2k(n)经多轴数字控制器的数模转换器D/A转换后变为x1k(t)，x2k(t)，并依次分别输出给2个模拟PID控制器，2个力传感器采集反馈的输出y1k(t)，y2k(t)分别输送给2个模拟PID控制器，2 个模拟PID控制器用模拟电路实现将x1k(t)，x2k(t)分别与y1k(t)，y2k(t) 作差，2个模拟PID控制器分别发出相应的电流信号控制2个电液伺服阀，驱动液压缸作动，形成模拟PID闭环控制；第k帧采集到的传感器数据经A/D转换后分别记为y1k(n)y2k(n)；
(2-8)多轴控制器在发出x1k(n)，x2k(n)和采集y1k(n)，y2k(n)的同时，使Dk+1(f)＝Dk(f)；
利用步骤(2-5)和(2-6)中的公式计算x1(k+1)(n)和x2(k+1)(n)；当第k帧数据发送和采集完毕，多轴控制器将x1(k+1)(n)，x2(k+1)(n)逐点发给2个模拟PID控制器。
步骤200，计算幅值和相位；
所述步骤(1-2)包括如下步骤：
假设第k帧信号传感器反馈的响应信号 A1为第k帧响应信号y1k(n)的幅值，φ1为第k帧响应信号y1k(n)的初相位；A2为第k帧响应信号y2k(n)的幅值，φ2为第k帧响应信号y2k(n)的初相位；
将y1k(n)分别与和相乘，得到：
和
将α1k(n)和β1k(n)经多轴数字控制器进行低通滤波后，得到和两个直流分量，利用公式计算力传感器反馈信号的幅值利用公式计算力传感器反馈信号的相位
将y2k(n)分别与和相乘，得到：
和
将α2k(n)和β2k(n)经多轴数字控制器进行低通滤波后，得到和两个直流分量，利用公式计算力传感器反馈信号的幅值利用公式计算力传感器反馈信号的相位
步骤300，修正指令谱向量；
利用公式E(f)＝R(f)-C(f)计算误差谱向量，其中，C(f)为响应谱向量，C(f)由和计算得到；
利用公式Dk+2(f)＝Dk+1(f)+QZ(f)E(f)计算第k+2帧的指令谱向量 Dk+2(f)；
其中，Q为迭代增益矩阵，取Dk+1(f)为当前帧的指令谱向量；
利用下述公式计算x1(k+2)(n)和x2(k+2)(n)：
其中，设定Dk+2(f)＝[a1′+jb1′，a2′+jb2′]，则其幅值分别为
相位分别为
步骤400，PID控制
当第k+1帧数据发送和采集完毕，将x1(k+2)(n)和x2(k+2)(n)经多轴数字控制器的数模转换器D/A转换后变为x1(k+2)(t)，x2(k+2)(t)，并依次分别输出给2个模拟PID控制器，2个力传感器采集反馈的输出y1(k+2)(t)， y2(k+2)(t)给2个模拟PID控制器，2个模拟PID控制器用模拟电路实现将x1(k+2)(t)，x2(k+2)(t)，分别与y1(k+2)(t)，y2(k+2)(t)作差，2个模拟PID控制器分别发出相应的电流信号控制2个电液伺服阀，驱动液压缸作动，形成模拟PID闭环控制。
使k值增加1之后，返回步骤200。
应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种电液伺服双轴疲劳试验装置的正弦波幅值和相位控制方法，其特征是，包括基座(1)，设于基座上的支架(2)，设于支架上的横向液压缸(3)和竖向液压缸(4)，分别设于横向液压缸和竖向液压缸上的2个电液伺服阀(5)，分别设于横向液压缸和竖向液压缸上的2个力传感器(6)，2个模拟PID控制器(7)，多轴数字控制器(8)和夹具(9)；横向液压缸和竖向液压缸和夹具均与试件连接；
多轴数字控制器分别与2个模拟PID控制器和2个力传感器电连接，2个模拟PID控制器分别与2个电液伺服阀和2个力传感器电连接；
包括如下步骤：
(1-1)辨识与解耦；
(2-1)多轴数字控制器将两路互不相关的白噪声x1，x2分别输给2个模拟PID控制器，多轴数字控制器采集两个力传感器的反馈数据y1，y2；
(2-2)设定系统频响函数矩阵估计为
其中， 为xi和yi间的频响函数估计，为输入信号xi和输出信号yj的互功率谱估计，为输入信号xi的自功率谱估计；
(2-3)利用公式计算频响矩阵的逆矩阵Z(f)，设定Z(f)为阻抗矩阵；
(2-4)利用公式D(f)＝Z(f)R(f)计算第一帧指令谱向量Dk(f)，k＝1；
(2-5)设Dk(f)＝[a1+jb1，a2+jb2]T，则其幅值分别为：
相位分别为：
(2-6)设采样率为fs，帧数据点数为N，正弦信号频率为f，计算双轴指令信号序列x1k(n)和x2k(n)；n＝1，2，…，N；
(2-7)x1k(n)和x2k(n)经多轴数字控制器的数模转换器D/A转换后变为x1k(t)，x2k(t)，并依次分别输出给2个模拟PID控制器，2个力传感器采集反馈的输出y1k(t)，y2k(t)分别输送给2个模拟PID控制器，2个模拟PID控制器用模拟电路实现将x1k(t)，x2k(t)分别与y1k(t)，y2k(t)作差，2个模拟PID控制器分别发出相应的电流信号控制2个电液伺服阀，驱动液压缸作动，形成模拟PID闭环控制；第k帧采集到的传感器数据经A/D转换后分别记为y1k(n)y2k(n)；
(2-8)多轴控制器在发出x1k(n)，x2k(n)和采集y1k(n)，y2k(n)的同时，使Dk+1(f)＝Dk(f)；
利用步骤(2-5)和(2-6)中的公式计算x1(k+1)(n)和x2(k+1)(n)；当第k帧数据发送和采集完毕，多轴控制器将x1(k+1)(n)，x2(k+1)(n)逐点发给2个模拟PID控制器；
(1-2)计算幅值和相位；
假设第k帧信号传感器反馈的响应信号 A1为第k帧响应信号y1k(n)的幅值，φ1为第k帧响应信号y1k(n)的初相位；A2为第k帧响应信号y2k(n)的幅值，φ2为第k帧响应信号y2k(n)的初相位；
将y1k(n)分别与和相乘，得到：
和
将α1k(n)和β1k(n)经多轴数字控制器进行低通滤波后，得到和两个直流分量，利用公式计算力传感器反馈信号的幅值利用公式计算力传感器反馈信号的相位
将y2k(n)分别与和相乘，得到：
和
将α2k(n)和β2k(n)经多轴数字控制器进行低通滤波后，得到和两个直流分量，利用公式计算力传感器反馈信号的幅值利用公式计算力传感器反馈信号的相位
(1-3)修正指令谱向量；
利用公式E(f)＝R(f)-C(f)计算误差谱向量，其中，C(f)为响应谱向量，C(f)由和计算得到；
利用公式Dk+2(f)＝Dk+1(f)+QZ(f)E(f)计算第k+2帧的指令谱向量Dk+2(f)；
其中，Q为迭代增益矩阵，取Dk+1(f)为当前帧的指令谱向量；
利用下述公式计算x1(k+2)(n)和x2(k+2)(n)：
其中，设定Dk+2(f)＝[a1′+jb1′，a2′+jb2′]，则其幅值分别为
相位分别为
(1-4)PID控制；
当第k+1帧数据发送和采集完毕，将x1(k+2)(n)和x2(k+2)(n)经多轴数字控制器的数模转换器D/A转换后变为x1(k+2)(t)，x2(k+2)(t)，并依次分别输出给2个模拟PID控制器，2个力传感器采集反馈的输出y1(k+2)(t)，y2(k+2)(t)给2个模拟PID控制器，2个模拟PID控制器用模拟电路实现将x1(k+2)(t)，x2(k+2)(t)，分别与y1(k+2)(t)，y2(k+2)(t)作差，2个模拟PID控制器分别发出相应的电流信号控制2个电液伺服阀，驱动液压缸作动，形成模拟PID闭环控制；
(1-5)重复步骤(1-2)至(1-4)。
2.根据权利要求1所述的电液伺服双轴疲劳试验装置的正弦波幅值和相位控制方法，其特征是，使k值增加1之后，返回步骤(1-2)。
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