基于穩(wěn)幅的諧振頻率跟蹤和振動(dòng)載荷振幅聯(lián)合控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及振動(dòng)系統(tǒng)的頻率跟蹤和振幅控制領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于穩(wěn)幅的諧振 頻率跟蹤和振動(dòng)載荷振幅聯(lián)合控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 電磁諧振式高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的工作性能直接影響著試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)在裂紋 擴(kuò)展過(guò)程中嚴(yán)格跟蹤系統(tǒng)的固有頻率并控制試驗(yàn)載荷的穩(wěn)定性。W往的諧振式疲勞裂紋擴(kuò) 展試驗(yàn)系統(tǒng)諧振頻率跟蹤技術(shù)和諧振區(qū)試驗(yàn)載荷振幅的模糊控制技術(shù)，雖然能使系統(tǒng)工作 在諧振區(qū)且保持振幅的穩(wěn)定性，但由于頻率跟蹤和振幅控制是獨(dú)立進(jìn)行的，先跟蹤到系統(tǒng) 共振點(diǎn)，然后在諧振區(qū)進(jìn)行振幅控制使振幅達(dá)到設(shè)定值，該樣在控制過(guò)程中會(huì)造成振幅超 調(diào)振蕩，不能使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能，如果使系統(tǒng)在裂紋擴(kuò)展頻率調(diào)整過(guò)程中也保持 振幅的穩(wěn)定性，必須振幅控制和頻率跟蹤同時(shí)進(jìn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服已有疲勞裂紋擴(kuò)展控制過(guò)程中無(wú)法同時(shí)進(jìn)行諧振頻率跟蹤和振動(dòng)載荷 振幅控制、動(dòng)態(tài)性能較差的不足，本發(fā)明提供一種疲勞裂紋擴(kuò)展控制過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行諧振 頻率跟蹤和振動(dòng)載荷振幅控制、動(dòng)態(tài)性能良好的基于穩(wěn)幅的諧振頻率跟蹤和振動(dòng)載荷振幅 聯(lián)合控制系統(tǒng)。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0005] 一種基于穩(wěn)幅的諧振頻率跟蹤和振動(dòng)載荷振幅聯(lián)合控制系統(tǒng)，所述聯(lián)合控制系統(tǒng) 采用兩層模糊控制器結(jié)構(gòu)，上層為監(jiān)督管理控制器，通過(guò)對(duì)裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度，載荷振幅和諧振 頻率的采樣控制時(shí)刻的監(jiān)測(cè)，對(duì)下層頻率跟蹤控制器和諧振區(qū)振幅控制器進(jìn)行頻率和振幅 控制時(shí)序的規(guī)劃和控制值的計(jì)算和輸出，下層為頻率跟蹤控制器和諧振區(qū)振幅控制器。
[0006] 進(jìn)一步，所述上層監(jiān)督管理控制器的輸入為裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度和采樣時(shí)刻，輸出有3 類(lèi)；（1)根據(jù)采樣時(shí)刻，控制載荷模糊控制器激活時(shí)間，確定其輸出的控制值和控制時(shí)刻； 控制頻率模糊控制器激活時(shí)間，確定其輸出的控制值和控制時(shí)刻，（2)根據(jù)所采集裂紋擴(kuò)展 長(zhǎng)度和裂紋擴(kuò)展不同階段的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整量化因子和比例因子來(lái)調(diào)整載荷模糊控制器和 頻率模糊控制器的論域，原則是裂紋擴(kuò)展初期階段裂紋擴(kuò)展較慢，振幅變化較小，采用小論 域，較小的跟蹤步長(zhǎng)和較小的振幅控制量；裂紋擴(kuò)展中期裂紋擴(kuò)展較快，振幅變化較大，采 用中論域，較大的跟蹤步長(zhǎng)和較大的振幅控制器；裂紋擴(kuò)展后期裂紋擴(kuò)展快，振幅變化大， 采用大論域，大的跟蹤步長(zhǎng)和大的振幅控制量；（3)根據(jù)所采集裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度，計(jì)算出疲勞 裂紋擴(kuò)展到該一數(shù)值時(shí)系統(tǒng)的固有頻率值ftheDty，并將此值和此時(shí)系統(tǒng)工作頻率值fk相減 取絕對(duì)值后得模糊控制器輸入bf，bf乘W量化因子Ki后轉(zhuǎn)換到模糊論域，輸入到模糊自適 應(yīng)諧振頻率跟蹤控制器。
[0007] 再進(jìn)一步，聯(lián)合控制的過(guò)程重復(fù)兩個(gè)階段；從k-1時(shí)刻到k時(shí)刻和從k時(shí)刻到 k+1時(shí)刻的控制過(guò)程，（1)從k-1時(shí)刻到k時(shí)刻；只進(jìn)行了頻率跟蹤，而沒(méi)有通過(guò)改變激 振電壓來(lái)進(jìn)行振幅控制，振幅響應(yīng)的變化是由于頻率跟蹤所引起的，計(jì)算頻率跟蹤控制 器的輸入量eaf和bf，eaf為頻率跟蹤后振幅響應(yīng)的差值和所對(duì)應(yīng)頻率跟蹤步長(zhǎng)的比值 ^ (A, -A,_-i) W 1；)，另一個(gè)輸入bf= |ftheory-fkl為此日寸刻頻率值糖側(cè)有頻率偏差的絕 對(duì)值，通過(guò)頻率跟蹤控制器計(jì)算出下一步所需要跟蹤步長(zhǎng)A fk，計(jì)算出下2時(shí)刻頻率輸出 fk+2= fk+Afk，輸出下一時(shí)刻頻率fk+i= fk，頻率輸出保持不變，采用k-1時(shí)刻所計(jì)算出的振 幅輸出值進(jìn)行振幅控制，（2)從k時(shí)刻到k+1時(shí)刻；是通過(guò)改變激振電壓來(lái)進(jìn)行振幅控制， 頻率保持不變，振幅響應(yīng)的變化是由于振幅控制所引起的，計(jì)算振幅控制器的輸入量e和 ec，e為此時(shí)刻振幅響應(yīng)和設(shè)定值的偏差e = r-Ak，ec偏差變化率ec = ，通過(guò)振 幅模糊控制器計(jì)算出下一步控制電壓變化量A Uk，計(jì)算出下2時(shí)刻電壓輸出Uk+2 = Uk+ A Uk， 輸出前一時(shí)刻所計(jì)算出的下一時(shí)刻頻率輸出量進(jìn)行頻率跟蹤，而下一時(shí)刻的激振電壓輸出 保持不變Uw= Uk。
[000引更進(jìn)一步，從k+1時(shí)刻到k+2時(shí)刻重復(fù)從k-1時(shí)刻到k時(shí)刻的過(guò)程，從k+2時(shí)刻到 k+3時(shí)刻重復(fù)從k時(shí)刻到k+1時(shí)刻的過(guò)程，一直循環(huán)到頻率和振幅控制完成，如果頻率調(diào)整 到位后，振幅仍沒(méi)有到設(shè)定值，則連續(xù)進(jìn)行振幅控制，如振幅調(diào)整到位而頻率沒(méi)有調(diào)整到共 振點(diǎn)，則頻率跟蹤W最小步長(zhǎng)0. mz跟蹤，振幅控制規(guī)則不變，直到找到共振點(diǎn)。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：在試驗(yàn)過(guò)程中振幅和頻率是相互禪合的，由于振幅控制的 同時(shí)調(diào)整頻率，頻率變化所引起振幅的變化和電磁激振器電壓調(diào)整所引起振幅的變化會(huì)疊 加在一起。故在傳統(tǒng)振幅模糊控制器基礎(chǔ)上增加一個(gè)輸入一-頻率影響因子化，頻率影響 因子化為頻率跟蹤控制器的輸出，根據(jù)頻率跟蹤狀態(tài)確定其對(duì)振幅控制的影響，據(jù)此修正 諧振區(qū)振幅控制器的模糊規(guī)則。振幅控制器的輸出為電磁激振器電壓的變化量，其狀態(tài)激 活，控制量計(jì)算，輸出時(shí)刻由上層監(jiān)督管理控制器給出。
[0010] 振幅的控制同樣會(huì)對(duì)頻率跟蹤控制造成影響，故聯(lián)合控制中的諧振頻率跟蹤器有 兩大特點(diǎn)；（1)不是每時(shí)刻都進(jìn)行控制量的計(jì)算和輸出，其狀態(tài)激活，控制量計(jì)算，輸出時(shí) 刻由上層監(jiān)督管理控制器給出。（2)振幅和頻率聯(lián)合控制器要在盡量保證振幅穩(wěn)定的基礎(chǔ) 上跟蹤諧振頻率，在同樣跟蹤狀態(tài)下減小跟蹤步長(zhǎng)，W減小因?yàn)轭l率跟蹤步長(zhǎng)較大而引起 的振幅振蕩。
[0011] 本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在；采用基于穩(wěn)幅的諧振頻率跟蹤和振動(dòng)載荷振幅聯(lián) 合控制策略，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)，諧振頻率跟蹤和振幅控制同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在裂紋擴(kuò) 展頻率調(diào)整過(guò)程中保持振幅的穩(wěn)定性，使其達(dá)到更好的控制性能，避免了 W往諧振式疲勞 裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)系統(tǒng)諧振頻率跟蹤技術(shù)和諧振區(qū)試驗(yàn)載荷振幅的模糊控制技術(shù)先跟蹤到系 統(tǒng)共振點(diǎn)，然后再在諧振區(qū)進(jìn)行振幅控制而造成的振幅超調(diào)振蕩，使得系統(tǒng)具有較好的動(dòng) 態(tài)性能。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1是基于穩(wěn)幅的諧振頻率跟蹤和振動(dòng)載荷振幅聯(lián)合控制策略的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0013] 圖2是基于穩(wěn)幅的諧振頻率跟蹤和振動(dòng)載荷振幅聯(lián)合控制策略中振幅導(dǎo)數(shù)一頻 率特性曲線(xiàn)圖。
[0014] 圖3是基于穩(wěn)幅的諧振頻率跟蹤和振動(dòng)載荷振幅聯(lián)合控制策略中模糊變量EAF的 隸屬度函數(shù)示意圖。
[0015] 圖4是基于穩(wěn)幅的諧振頻率跟蹤和振動(dòng)載荷振幅聯(lián)合控制策略中模糊變量BF的 隸屬度函數(shù)示意圖。
[0016] 圖5是基于穩(wěn)幅的諧振頻率跟蹤和振動(dòng)載荷振幅聯(lián)合控制策略中模糊變量AF的 隸屬度函數(shù)示意圖。
[0017] 圖6是基于穩(wěn)幅的諧振頻率跟蹤和振動(dòng)載荷振幅聯(lián)合控制策略中振幅一頻率特 性曲線(xiàn)示意圖。
[0018] 圖7是基于穩(wěn)幅的諧振頻率跟蹤和振動(dòng)載荷振幅聯(lián)合控制策略中模糊變量E的隸 屬度函數(shù)示意圖。
[0019] 圖8是基于穩(wěn)幅的諧振頻率跟蹤和振動(dòng)載荷振幅聯(lián)合控制策略中模糊變量EC的 隸屬度函數(shù)示意圖。
[0020] 圖9是基于穩(wěn)幅的諧振頻率跟蹤和振動(dòng)載荷振幅聯(lián)合控制策略中模糊變量AU的 隸屬度函數(shù)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0022] 參照?qǐng)D1~圖9,一種基于穩(wěn)幅的諧振頻率跟蹤和振動(dòng)載荷振幅聯(lián)合控制系統(tǒng)，所 述聯(lián)合控制系統(tǒng)采用兩層模糊控制器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。上層為監(jiān)督管理控制器，通過(guò)對(duì)裂 紋擴(kuò)展長(zhǎng)度，載荷振幅和諧振頻率的采樣控制時(shí)刻的監(jiān)測(cè)，對(duì)下層