基于重复控制的疲劳脉冲试验台控制系统设计

　　疲劳试验台是一种用来测定材料或构件在周期性( 或随机) 应力应变作用下，其疲劳极限、疲劳寿命、裂纹扩展等指标的疲劳试验装置。目前广泛使用的一种试验方法是通过采用电液比例技术来进行疲劳脉冲实验，该方法主要通过调整比例溢流阀的阀口开度来控制试件容腔内液体的压力来模拟各种周期压力信号 ( 如正弦波、三角波等) ，从而对试件进行多次压力冲击来检验其疲劳性能。

　　在电液比例控制系统中，目前广泛采用的控制策略是 PID 控制，它具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点。但是随着科技技术的日益发展，对控制系统控制精度的要求越来越高，传统的PID 控制无法满足如此高的精度要求。重复控制理论是 20 世纪 80 年代根据实际控制工程的需要提出的一种新型控制系统设计方法，该方法被认为可以很好地实现对周期参考信号的跟踪[1]，并能够达到较高的控制精度。目前已成功应用于电力控制系统[2]、机械手控制[3]、磁盘、光盘[4]等实际工程中。

　　文中介绍了机油冷却器疲劳脉冲试验台的组成及工作原理，说明了重复控制理论，应用重复控制理论设计了一种适用于该疲劳试验台的重复控制器，并将它与传统的 PID 控制方法进行了仿真对比分析。研究和分析结果表明: 所设计的重复控制器可以很好地实现对周期信号的跟踪，提高控制精度。

　　1 机油冷却器疲劳脉冲试验系统

　　机油冷却器疲劳脉冲试验台的硬件总体结构如图1 所示。在图1 中，计算机主要起监控作用，通过人机交互界面来实现对嵌入式控制器的控制，进而控制整个硬件控制系统的执行。嵌入式控制器由主控单元、A / D 转换模块和 D / A 转换模块组成，其作用是接受计算机的指令对液压系统进行控制以完成相关的操作。比例放大板选用与比例溢流阀配套的直流放大板，可视为比例放大环节。溢流阀的进口压力即为试验件的试验压力，并且采用传感器采集该压力信号。液压执行件部分主要用于执行嵌入式控制器所传达的命令，进行相应的操作。

　　2 重复控制原理及重复控制器的设计

　　2. 1 重复控制原理

　　这里给出重复控制器设计中的一些重要原理[5]。

　　根据内部模型原理[6]，为了能够无稳态误差地跟踪周期为 L 的周期信号，闭环内必须包含有周期为 L的参考信号模型。重复控制正是基于内模原理，将时间为 L 的时滞环节放置在闭环中，构成重复补偿器。重复补偿器是通过正反馈来构成的，并且具有比控制对象的延迟还大的滞后时间 L，因此很难获得稳定的特性。因此，必须插入稳定化补偿器来获得稳定的系统。重复控制器的基本构成如图2 所示。