微隧道式加速度计的最优控制

为了扩大隧道式加速度计(MTA)的动态测量范围并通过降低系统中的主要噪声来提高器件的性能,本文为隧道式加速度计(MTA)设计了线性二次高斯(LQG)控制器.推导了微隧道式加速度计的线性化状态-空间方程;依据分离定理,设计了卡尔曼滤波器和最优状态反馈控制器;最后,在Matlab/Simulink中构建了由卡尔曼滤波器和最优状态控制器串联的LQG仿真系统并进行了动态和静态测试.仿真结果表明,LQG最优控制系统能够将微隧道式加速度计的带宽从2×103 rad/s扩大到3×106 rad/s.通过LQG最优控制,静态测试结果显示其静态隧道电流的波动从1 nA～2.95 nA降到0.73 nA～l.14 nA;动态实验数据表明其在方波加速度信号的作用下能够将隧道间隙维持在1 nm.     

微机械隧道陀螺仪的时变线性二次高斯预测控制

为了降低微机械隧道陀螺仪系统的非线性,增大器件的带宽并提高系统的信噪比,隧尖与相应隧道电极之间的隧道间距应控制在1 nm附近,且其必须在闭环模式下工作.本文鉴于线性二次高斯(LQG)控制理论的抗干扰特性和鲁棒性以及哥氏加速度的时变特征,采用时变卡尔曼滤波器和LQG最优控制器串联而成的LQG预测控制策略设计了隧道陀螺仪闭...     

水平式隧穿磁强计的反馈控制系统设计

分析了水平式隧穿磁强计控制系统的原理和特点;给出了反馈控制系统传递函数方框图;求出了水平式隧穿磁强计的表头、隧道效应及梳齿静电驱动等框图的传递函数.采用二阶有源带通滤波的方式来减弱外界的噪声影响,经实验验证,降低了隧道间隙的变动量,使得隧道间隙从0.4～1.6nm减少到0.9～1.1nm,满足设计要求.     

空中手写笔笔迹检测系统

提出了一种基于微加速度传感器与微角速度传感器的空间笔迹检测系统,并对轨迹检测系统的算法进行了描述。手写动态采集系统使用安装于手写笔上的加速度传感器和角速度传感器采集手写笔的动态信息,通过A/D转换将得到的数据由串行通信接口传送至计算机进行处理。该系统可用于检测手写笔在三维空间的运动轨迹,并通过三维空间的姿态角变换矩阵将手写笔动态信息投影到二维坐标平面,经过一系列积分运算最终重现笔迹信息。介绍了手写笔运动过程中重力加速度对笔迹重现的影响以及从检测到的加速度中剔除重力加速度得到纯净运动加速度的方法,对传感器的标定进行了相应的说明。实验结果表明,该系统达到了预期的效果。     

微间隙焊缝磁光成像卡尔曼滤波跟踪算法

在激光对接焊过程中,实时控制激光束准确对中焊缝是保证焊接质量的前提。针对紧密对接激光焊,研究一种用于微间隙(不大于0.1 mm)焊缝位置识别及跟踪的磁光成像卡尔曼滤波算法。采用磁光传感器实时获取焊接区域的微间隙焊缝磁光图像序列,利用微间隙焊缝磁光图像的灰度梯度特征提取焊缝位置坐标。以焊缝位置及位移量构成状态矢量,建立描述焊缝位置的状态方程和测量方程。同时,假设系统动态噪声和测量噪声为零均值随机分布的高斯白噪声,建立噪声环境下的卡尔曼滤波跟踪算法,计算最小均方差条件下焊缝中心最优预测值,减小系统噪声和过程噪声对焊缝位置测量的影响。试验结果显示,该方法能有效实现激光对接焊微间隙焊缝位置的识别与跟踪。     

二级倒立摆的LQG最优控制研究

为实现二级倒立摆系统的稳摆控制,应用了线性二次高斯最优控制。根据LQG的分离原理,首先利用最优控制设计控制律,得到状态反馈;由于系统状态不能完全测得,而且系统也不可避免地会受到噪声的影响,在详细给出相应参数取值规则的基础上,采用了卡尔曼滤波对系统输出做出最优估计。最后的仿真结果表明,设计的控制器能够较好地对二级倒立摆进行稳定控制,且具有抑制噪声和抗干扰能力。     

二级倒立摆的 LQG 最优控制研究

为实现二级倒立摆系统的稳摆控制,应用了线性二次高斯最优控制。根据LQG的分离原理,首先利用最优控制设计控制律,得到状态反馈;由于系统状态不能完全测得,而且系统也不可避免地会受到噪声的影响,在详细给出相应参数取值规则的基础上,采用了卡尔曼滤波对系统输出做出最优估计。最后的仿真结果表明,设计的控制器能够较好地对二级倒立摆进行稳定控制,且具有抑制噪声和抗干扰能力。     

高速精密滚珠丝杠副综合性能测试系统开发

通过研究精密滚珠丝杠副在高速运动状态下的定位精度、反向间隙、噪声、振动、温升、热变形及摩擦力矩等性能指标的动态检测方法以及综合性能检测关键技术,开发了一套高速精密滚珠丝杠副综合性能检测系统,实现了滚珠丝杠副动态综合性能指标的检测。     

扇形梳齿驱动式体硅微机械 隧道陀螺仪的设计与制备

介绍了一种利用隧道效应所具有的高位移敏感特性来获得较高灵敏度的微机械隧道振动陀螺仪的设计和工艺制备,该陀螺仪分别采用扇形梳齿驱动和面外振动悬臂梁的方式实现质量块的振动和恒隧道电流的检测。介绍了扇形梳齿驱动的工作原理和隧道陀螺仪的设计。由于采用了硅玻键合和深反应离子蚀刻(DRIE)的DDSOG体硅制备工艺,因而可获得较大的敏感质量块,从而使陀螺仪具有较高的灵敏度和较大的动态响应范围。根据检测模态和驱动模态匹配的原则,利用有限元模型对隧道陀螺仪的结构尺寸进行了优化,仿真结果表明,该陀螺仪在常压下的灵敏度为0.007 nm(°)/s。     

用于生物化学样品分离检测的基于阵列电极的芯片系统

提出一种集成了检测电极的基于线性阵列电极的微流体芯片,及以此芯片为基础所构建的控制检测系统.系统采用电化学检测手段,用基于单片机的测量模块实现阻抗检测功能,试图以此代替专用的阻抗分析仪,从而真正实现微流体分离检测的微型化.     

基于遗传算法的车辆座椅悬架最优控制器的应用

常规LQG控制器在车辆座椅主动悬架应用中,存在权值矩阵确定的问题。设计了一种基于遗传算法优化LQG权值矩阵的方法。该方法利用遗传算法的全局优化算法,以主动座椅悬架性能指标为目标函数对权值矩阵进行优化设计,并在Matlab/Simulink环境下建立了系统模型并进行仿真模拟。仿真结果表明:基于遗传算法优化的LQG控制器能够解决了最优控制器中存在的权值确定问题,提高悬架的设计效率,同时对于乘坐舒适性的改善有良好的效果。     

基于全局增益调度控制的重型半挂车主动侧倾控制算法

重型半挂车极易发生侧翻事故,提高其侧倾稳定性可以减少事故发生和人员财产损失。针对重型半挂车侧倾稳定性问题,建立车速可变的8自由度动力学模型。在回路传输恢复技术(Loop transfer recovery,LTR)的线性二次高斯(Linear quadratic guass,LQG)控制方法基础上,建立全局增度调度控制的全状态反馈控制器,使LQG/LTR局部状态反馈控制器在不同车速下均能对车辆实施最优主动侧倾控制,从而实现在噪声干扰下对重型半挂车的主动侧倾控制。进行变车速阶跃转向工况下的车辆仿真,对比分析主动控制前后的重型半挂车标准横向载荷转移等参数。车辆仿真结果表明,LQG/LTR方法具有良好的抑制干扰噪声的能力,可使系统具有较好的鲁棒性和稳定性。与被动式车辆相比,变车速的全局增益调度控制算法能有效提高重型半挂车的侧倾稳定性。     

A new optimal sliding mode controller design using scalar sign function

This paper presents a new optimal sliding mode controller using the scalar sign function method. A smooth, continuous-time scalar sign function is used to replace the discontinuous switching function in the design of a sliding mode controller. The proposed sliding mode controller is designed using an optimal Linear Quadratic Regulator (LQR) approach. The sliding surface of the system is designed using stable eigenvectors and the scalar sign function. Controller simulations are compared with another existing optimal sliding mode controller. To test the effectiveness of the proposed controller, the controller is implemented on an aluminum beam with piezoceramic sensor and actuator for vibration control. This paper includes the control design and stability analysis of the new optimal sliding mode controller, followed by simulation and experimental results. The simulation and experimental results show that the proposed approach is very effective.     

LQG controller design using GUI: application to antennas and radio-telescopes

The Linear Quadratic Gaussian (LQG) algorithm has been used to control the JPL's beam wave-guide, and 70-m antennas. This algorithm significantly improves tracking precision in a wind disturbed environment. Based on this algorithm and the implementation experience a Matlab based Graphical User Interface (GUI) was developed to design the LQG controllers applicable to antennas and radiotelescopes. The GUI is described in this paper. It consists of two parts the basic LQG design and the fine-tuning of the basic design using a constrained optimization algorithm. The presented GUI was developed to simplify the design process, to make the design process user-friendly, and to enable design of an LQG controller for one with a limited control engineering background. The user is asked to manipulate the GUI sliders and radio buttons to watch the antenna performance. Simple rules are given at the GUI display.     

基于LMI的EPS干扰抑制控制器的设计

电动助力转向(EPS)系统工作过程中存在量测噪声、非线性摩擦和路面扰动。为抑制这些干扰因素对EPS系统和汽车操纵稳定性的影响,建立了EPS非线性动力学模型。引入H∞控制算法,并结合线性矩阵不等式(LMIs)方法设计了最优H∞动态反馈控制器,采用三自由度整车模型进行控制器的仿真验证。仿真分析结果表明,在所设计的控制器的作用下,路面扰动对汽车质心侧偏角和横摆角速度的影响分别减少了63.4%和68.7%。     

光电着舰引导系统的视轴稳定

为了提高光电着舰引导系统的视轴跟踪精度和指向精度,研究了如何隔离舰体运动对光电经纬仪视轴的扰动。对舰载光电经纬仪进行建模,引入了各种扰动力矩。设计了超前滞后控制、线性二次高斯恢复（LQG/LTR）控制和H∞控制3种控制器来提高系统的性能和稳定性,详细研究了Kalman滤波和H∞加权矩阵的设计。在Matlab中对设计的控制方法进行仿真,并在摇摆台进行了试验验证。在时域、频域响应和稳定性能等方面对3种控制器进行的对比实验表明,LQG/LTR控制和H∞控制结果满足设计指标要求,稳定隔离度达到50 dB以上。基于提出的方法,经纬仪可以对着舰飞机进行稳定跟踪和精确轨迹测量,实现着舰引导。     

一种新型汽车主动悬架控制系统的研究方法

主动悬架控制器的设计中引入了一种新型研究方法,缩短了主动悬架控制系统的开发周期。采用MATILAB／Simulink／RTW（Real—Time Workshop）为软件开发环境,采用xPC结构配置目标硬件,将通用PC转化为实时控制器,搭建开发平台建立了被动悬架、线性二次型高斯（Linear Quadratic Gaussian,LQG）主动悬架和模糊控制主动悬架的Simulink模型,利用RTW工具箱从Simulink模型自动生成可执行代码,下载到xPC环境的目标PC上采用外部模型运行,得到仿真结果,在时域范围内采用均方根值（RMS）法对3种悬架模型的性能加以分析对比。     

Piezoresistive cantilever force-clamp system

We present a microelectromechanical device-based tool, namely, a force-clamp system that sets or "clamps" the scaled force and can apply designed loading profiles (e.g., constant, sinusoidal) of a desired magnitude. The system implements a piezoresistive cantilever as a force sensor and the built-in capacitive sensor of a piezoelectric actuator as a displacement sensor, such that sample indentation depth can be directly calculated from the force and displacement signals. A programmable real-time controller operating at 100 kHz feedback calculates the driving voltage of the actuator. The system has two distinct modes: a force-clamp mode that controls the force applied to a sample and a displacement-clamp mode that controls the moving distance of the actuator. We demonstrate that the system has a large dynamic range (sub-nN up to tens of μN force and nm up to tens of μm displacement) in both air and water, and excellent dynamic response (fast response time, <2 ms and large bandwidth, 1 Hz up to 1 kHz). In addition, the system has been specifically designed to be integrated with other instruments such as a microscope with patch-clamp electronics. We demonstrate the capabilities of the system by using it to calibrate the stiffness and sensitivity of an electrostatic actuator and to measure the mechanics of a living, freely moving Caenorhabditis elegans nematode.