本文提出一种基于Hilbert Vibration Decomposition(HVD)分解的压电振动能量采集器的非线性辨识方法，该方法无需预先设定非线性形式。利用希尔伯特变换将采集器控制方程改写为解析信号方程，得到待识别参数的方程组。接着，通过希尔伯特变换得到采集器输出响应的包络和瞬时频率序列。由于非线性振动能量采集器的响应为非线性非平稳信号的，引入HVD分解将响应信号分解为若干分量，逐一得到分量信号的包络和瞬时频率，并逐一进行待识别参数求解。通过瞬时相位差和信号分量的加权平均，将分量信号的识别结果重装配为整体识别结果。数值仿真结果显示该方法精确度较高。以圆板采集器为例，实验研究了该识别方法在采集器中的应用。非线性辨识的结果和力-状态映射法的识别结果具有一致性。实验中的一个有趣的现象是发现了压电复合圆板具有先软后硬的非线性现象，这与单层均匀圆板只有硬特性形成较大区别，实验识别结果和扫频结果均支持者一发现，表明复合圆板具有更加复杂的力学行为，值得进一步研究。