[发明专利]一种疲劳试验机周期波形的谐波控制方法

说明书

本发明公开了一种用于疲劳试验机的周期波形的谐波控制方法，该方法采集输出波形，并进行谐波幅值相位的估计，根据当前的估计结果，通过谐波控制器对下一帧输入波形进行修正，以此不断迭代修正；本发明基于频域谐波控制，避免了时域建模误差，通过迭代控制，对周期波形的各阶谐波的幅值相位做精确的控制，提高了高频段的波形跟踪精度，弥补了传统PID控制频宽不足的缺点；本发明还针对方波的吉布斯现象，采用单纯形的优化方法对方波的各阶谐波幅值和相位进行预处理优化，合成最优的近似方波并使阶跃处不会产生超调。

技术领域

本发明涉及疲劳试验机控制领域，具体涉及一种周期波形的谐波控制方法。

背景技术

疲劳试验机是用来测试各种材料(如金属、非金属、复合材料等)、机械零件和工程结构等疲劳性能的仪器。疲劳试验机主要是研究试件在循环应力作用下的疲劳性能，其常用波形主要有正弦波、三角波、方波、梯形波等周期波形。

现有的控制策略主要是基于PID控制。针对正弦波，已有很多前馈的幅值和相位控制补偿的算法。而三角波和方波的控制仍然主要是基于PID控制，其频宽范围有限，波形跟踪精度较差。由于三角波和方波的频谱是线谱，时域建模误差相对频域建模较大，即便用自适应逆前馈补偿算法，三角波和方波的跟踪性能都不够理想。因此，本发明提出一种基于频域的谐波合成方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种疲劳试验机周期波形的谐波控制方法。

本发明采用如下技术方案：一种周期波形的谐波控制方法，该方法采集输出波形，并进行谐波幅值相位的估计，根据当前的估计结果，通过谐波控制器对下一帧输入波形进行修正，以此不断迭代修正；其中，谐波幅值相位的估计方法如下：

设x(t)为t时刻采集得到的输出响应信号，由n个不同频率的正弦波合成，设为：

其中，ω_i为第i阶谐波频率，A_i是第i阶谐波的幅值，是第i阶谐波的相位。

对于第i阶频率，根据积化和差公式得到：

其中，和是正弦信号，其频率为ω_i的两倍；

将I₁、I₂分别经过低通滤波器滤波，将高频的信号和滤掉，得到其中包含了A_i、的信息。通过变换得到幅值和相位的估计：

谐波控制器的修正方法如下：

根据幅值和相位的估计，获得幅值误差E_A和相位误差E_P

其中，上标k代表迭代的次数，下标i代表第i阶谐波。是第k次迭代中第i阶谐波的幅值误差，是第k次迭代第i阶谐波的实际响应信号的幅值估计；是第k次迭代中第i阶谐波的相位误差，第k次迭代第i阶谐波的实际响应信号的相位估计；A_di为谐波控制器指令波形的幅值，谐波控制器指令波形的相位；

根据每次的幅值误差和相位误差对下一帧输入波形，即谐波控制器的输出幅值和输出相位，进行迭代修正：

是谐波控制器在第k次迭代中第i阶谐波的输出幅值。P_i^k是谐波控制器在第k次迭代中第i阶谐波的输出相位，μ、η为修正因子，μ<1，η<1。