压电纤维致动器的率相关偏置迟滞建模及补偿

为了克服传统压电陶瓷韧性不足,利用压电宏纤维（macro fiber composite,简称MFC）换能效率高且变形能力强的优点,提出了一种MFC致动的柔性结构,建立了描述MFC动态偏置迟滞非线性的率相关双极性偏置PI(rate-dependent bipolar bias PI,简称RDBBPI)迟滞模型,并进行了前馈补偿控制研究。首先,针对MFC致动柔性结构的静态偏置迟滞特性,利用Prandtl-Ishlinskii(PI)模型描述系统的对称迟滞特性,并通过叠加死区算子来捕捉其双极性偏置特性,建立了MFC致动器的静态双极性偏置PI(bipolar bias PI,简称BBPI)模型;其次,确立迟滞环斜率与驱动信号速率之间的线性关系,得到描述MFC致动器动态迟滞特性的RDBBPI模型;最后,进行了实验验证。实验结果表明：所提出的RDBBPI模型能够很好地捕捉不同频率下MFC致动柔性结构的动态迟滞特性;在基于RDBBPI模型的前馈补偿下,MFC致动柔性梁构件的实测振动位移与期望跟踪位移基本重合,补偿后结构实测位移与期望轨迹之间的线性度误差为4.62%,证实了所提RDBBPI模型对MF...     

压电智能梁的拉伸-弯曲耦合模型

利用虚功原理,建立了单面粘贴有压电致动器的梁结构的拉伸－弯曲耦合模型,在分析过程中,考虑了梁与致动器之间粘贴层的影响。通过分析可得,粘贴层剪切应力的分布与致动器端部附近的应变分布有相似的特征。随着粘贴层的剪切模量的增加或其厚度的减小,则剪切力在靠近压电致动器端部区域迅速增大。     

压电智能梁的拉伸—弯曲耦合模型

利用力平衡原理,建立了单面粘贴有压电致动器的梁结构的拉伸—弯曲耦合模型,在分析过程中,考虑了梁与致动器之间粘贴层的影响。通过分析可得,粘贴层切应力的分布与致动器端部附近的应变分布有相似的特征,随着粘贴层的切变模量的增加或其厚度的减小,切应力在靠近压电致动器端部区域迅速增大。     

压电智能梁的静态耦合模型

利用力平衡原理，建立了单面粘贴有压电致动器的梁结构的静态拉伸－弯曲耦合模型，在分析过程中，考虑了梁与致动器之间粘贴层的影响。通过分析可得，粘贴层剪切应力的分布与致动器端部附近的应变分布有相似的特征。随着粘贴层的剪切模量的增加或其厚度的减小，剪切力在靠近压电致动器端部区域迅速增大。     

压电智能梁的静态耦合模型

利用力平衡原理，建立了单面粘贴有压电致动器的梁结构的静态拉伸－弯曲耦合模型，在分析过程中，考虑了梁与致动器之间粘贴层的影响。通过分析可得，粘贴层剪切应力的分布与致动器中附近的应变分布有相似的特征。随着粘贴层的剪切模量的增加或其厚度的减小，剪切力在靠近坟电致动器部分端部区域迅速增大。     

力电耦合下MEMS微梁变形行为的结构参数影响研究

MEMS和其它微系统产品中许多致动器利用静电力作为驱动力.在许多微型电动机和致动器的设计中,分析静电力作用下微梁结构参数如悬臂梁的厚度对微梁挠度的影响是必要的.基于物理环境法顺序耦合法来分析悬臂梁的力电耦合,运用ANSYS软件对微悬臂梁模型进行机电耦合分析,讨论了在其他结构参数不变的情况下,微梁厚度与最大变形量的变化关系,并通过拟合曲线进一步探讨了微梁厚度对结构驱动性能的影响.     

回转梁动力学方程求解的数值方法研究

考虑驱动力矩、重力、哥氏力、运动阻力和惯性耦合力，根据考虑横向弯曲变形的Euler-Bemoulli细梁模型，并考虑离心力作用下的拉伸变形，建立回转运动梁的动力学模型。将梁根部的回转角度分解为整体刚性运动回转角度和刚体运动和柔性运动激发刚柔耦合回转角。将梁的柔性振动位移也分解为由整体刚性回转角所激发的动力激励振动和刚柔耦合回转角运动及刚柔耦合项共同激发的刚柔耦合振动。整体刚性回转角和动力激励振动，通过数值方法(如龙格-库塔法)求解，而将刚柔耦合回转角和刚柔耦合振动，通过奇异摄动法求解。通过数值方法和奇异摄动法相结合的方法，能够正确计算刚柔耦合回转角及其对梁振动位移的影响，更精确、深入地分析回转梁的动力学特性。     

基于Romax的电驱动动力总成振动特性仿真研究

综合考虑柔性壳体、齿轮啮合刚度、传递误差、齿侧间隙和轴承等因素的影响,在Romax软件中建立了考虑柔性壳体与齿轮系耦合作用的电驱动动力总成刚柔耦合模型。对其振动特性进行了仿真研究,获得了系统固有频率值、齿轮传递误差和轴承动载荷等,并与动力总成齿轮传动系进行对比,分析了两者振动特性的差异及其产生原因。     

海上浮式风电机组刚柔耦合结构动力学建模与分析

基于凯恩方法和模态叠加法对三叶片水平轴海上浮式风电机组进行了刚柔耦合结构动力学建模和分析。首先建立浮式平台的水动力载荷模型,然后,把塔架和叶片等柔性件离散为有限个刚性单元体,并采用模态叠加法计算每一离散单元的偏速度和偏角速度,最后采用凯恩方法建立刚柔耦合结构动力学模型。以美国可再生能源实验室（NREL）海上5MW半潜式风电机组为算例,结合气动力载荷模型和水动力载荷模型对所建立的模型进行了风、浪响应计算,主要从输出功率、叶尖及塔顶振动信号的耦合特性两个方面对海、陆风电机组进行了对比。     

船用离心风机内部流动诱发蜗壳振动的数值研究

针对船用离心风机内部非定常流动诱发蜗壳结构振动响应,发展了一种数值计算方法,该方法首先通过风机内部非定常流场计算获得振动激励源,其次采用流固弱耦合算法实现节点的插值和载荷加载,最后基于有限元的模态叠加法得到蜗壳结构动力响应。流场压力脉动和振动计算结果和实验测试结果分别做了对比,结果吻合较好,表明本文的方法能较准确地模拟叶轮机械内部流动诱发外部壳体的振动响应。从流场和振动响应两个方面阐述了流动诱发振动的机理:基频的非定常气动力是流固耦合振动的主要激励源,基频分量在振动的频率响应函数中占据主导地位,蜗壳的最大振动响应是基频下的非定常气动力和基频振动模态共同作用的结果。     

液电混合半主动驱动机械臂储能系统设计及仿真

针对传统工程装备机械臂重力势能浪费及运行特性差等问题,提出利用高功重比液压缸辅助小功率电机械执行器驱动机械臂的液电混合半主动驱动系统。其中,电机械执行器主动控制机械臂运行,改善运行特性;液压缸与蓄能器连接,构成储能平衡系统,用于平衡机械臂自重,回收利用重力势能。根据电机械执行器与液压缸不同组合方式,提出3种驱动方案,以挖掘机动臂为具体应用对象,对不同驱动方案进行参数匹配设计和仿真分析。与节能效果显著的三腔液压缸负载敏感控制系统相比,液电混合驱动系统可进一步降低能耗达51%~56%,动臂速度超调和波动较小,可很好地按照预期速度运行。研究为举升机构驱动系统提供了新的方向,可实现绿色驱动,应用前景广泛。     

电-液双源混驱装载机举升系统特性研究

装载机广泛应用于工程建设、抢险救灾等关乎国计民生的领域。普遍采用液压系统驱动与传递动力，但系统能量效率较低，且在装卸货物的过程中存在大量势能浪费，增加了整机燃油消耗和碳排放量。针对上述问题，提出电-液双源混合驱动系统，将电机械执行器的高能效与液压缸-蓄能器高势能回收效率的优势相融合，采用高能效电机械执行器控制系统运动，液压缸-蓄能器平衡系统外负载力并回收利用系统重力势能。文中根据所提电-液混驱系统工作原理，对系统进行了理论分析，进一步搭建了所提系统试验测试平台，对系统的电液功率配比进行了优选，明确了系统的工作与能耗特性。试验结果表明，与原有阀控系统相比，相同工况下所提系统可降低能耗51.7%，峰值功率59.6%。研究成果对工程机械领域“双碳”战略愿景目标的实现具有积极促进作用。     

液电混合驱动液压挖掘机动臂特性及能效研究

液压挖掘机作业时,动臂频繁升降,举升过程中工作装置集聚的大容量重力势能,在下降时经控制阀转换为热能耗散掉,不仅造成非常大的能量损失,也使油液温度快速升高,需附加额外的冷却装置进行散热,油温的升高也常常引发液压系统故障。为此,提出电动缸为主、液压缸-蓄能器组合为辅的液电混合动臂驱动解决方案。动臂下降时,工作装置的重力势能转化为液压能存储在蓄能器中;动臂举升时,存储在蓄能器的液压能驱动液压缸辅助电动缸驱动动臂,电动缸仅需驱动惯性载荷和物料重力。在研究中,建立了液电混合驱动动臂的试验样机,对其运行特性和能效特性进行了试验测试。结果表明,较无重力势能回收的进出口独立控制系统,相同工况下,液电混合驱动方式降低能耗达72.7%,显著提升了挖掘机动臂举升系统的能量效率。     

旋挖钻机卷扬装置电液混合驱动系统特性

现有旋挖钻机卷扬系统是由阀控液压马达驱动。作业过程中,该系统存在非常大的节流损失;而且工作装置下放过程中,大量重力势能经控制阀节流作用转化为热能耗散掉,造成整机能效较低。为此,提出一种卷扬装置电液混合驱动系统,电动机作为主驱动,控制工作装置运动,降低节流损失;液压泵/马达与蓄能器等组合,构成能量回收单元,回收利用重力势能,辅助电动机驱动卷扬装置。分析了液压卷扬、电动卷扬与电液混合驱动卷扬系统的工作原理和运行特性,建立了旋挖钻机机电液多学科联合仿真模型,对不同驱动系统的运行和能量特性进行研究。结果表明,电液混合驱动系统具有良好的运行特性,相较于液压、电动驱动的卷扬系统,可节能27%~66%。     

液电混合驱动轮式挖掘机行走系统特性分析

轮式挖掘机行走时,行驶速度变化频繁,负载的剧烈变化导致发动机效率低下;制动时动能由机械制动器消耗,大量机械能转化为热能,能量损失严重。为此,提出液电混合驱动轮式挖掘机行走系统,采用高能效的伺服电机控制行走速度,液压泵/马达与蓄能器组合,回收制动动能,并在加速等大功率工况辅助电机驱动行走系统。对系统的工作原理进行参数设计,制定驱动与制动控制策略,建立原机行走系统与所提系统的多学科联合仿真模型,进行仿真分析。结果表明：相同工况下,与原机行走系统相比,液电混合驱动行走系统能耗降低了56.5%,高效回收了制动动能。     

Robust force control of a hybrid actuator using quantitative feedback theory

The use of hydraulic systems in industrial applications has become widespread due to their advantages in efficiency. In recent years, hybrid actuation systems, which combine electric and hydraulic technology into a compact unit, have been adapted to a wide variety of force, speed and torque requirements. A hybrid actuation system resolves energy consumption and noise problems characteristic of conventional hydraulic systems. A new, low-cost hybrid actuator using a DC motor is considered to be a novel linear actuator with various applications such as robotics, automation, plastic injection-molding, and metal forming technology. However, this efficiency gain is often accompanied by a degradation of system stability and control problems. In this paper, to satisfy robust performance requirements, tracking performance specifications, and disturbance attenuation requirements, the design of a robust force controller for a new hybrid actuator using Quantitative Feedback Theory (QFT) is presented. A family of plant models is obtained from measuring frequency responses of the system in the presence of significant uncertainty. Experimental results show that the hybrid actuator can achieve highly robust force tracking even when environmental stiffness set-point force varies. In addition, it is understood that the new system reduces energy use, even though its response is similar to that of a valve-controlled system.     

履带车辆液压混合动力传动系统驱动工况仿真分析

为了对履带车辆制动能量进行回收利用,该文介绍了针对某型履带车辆建立的液压混合动力传动系统及其工作原理;分别在AMESim和Matlab/Simulink下建立了液压混合动力传动系统和控制系统模型;利用基于踏板行程逻辑门限值的模糊控制策略,对履带车辆的不同驱动工况进行了联合仿真分析;结果表明,液压混合动力传动系统实现了履带车辆驱动过程的稳定性和对回收能量的有效利用.     

液压挖掘机主被动复合驱动回转系统特性及能效

液压挖掘机上车回转系统起动时,由于大惯性、高起动压力而造成大量的溢流损失;制动时回转动能转化为热能,能量损耗大。为此提出主被动复合驱动回转系统,在主驱动回转系统的基础上增设被动回路,被动液压马达用于降低主驱动液压马达的驱动功率及回收制动能量;为降低起动过程中的溢流损失,对主动回路采用进出口独立控制。针对主动马达和被动马达不同排量比对蓄能器压力的影响,提出了改变被动马达排量的优化方案。首先,进行元件匹配计算;然后,建立挖掘机主被动复合驱动回转系统联合仿真模型,与原机回转系统进行能耗对比。结果表明:主被动复合驱动系统在1个工作循环内能耗降低了35.9%~53.1%,实现了节能,提高了工作效率。     

太阳能集热装置随动跟踪液压系统设计

太阳能以其安全、清洁、无污染、储量丰富等优点逐渐受到人们的关注。针对其密度低、光照方向变化等特点,发明了跟踪装置以提高太阳能的利用率。为了提高跟踪装置精度,降低制造成本,对现有视日运动轨迹式跟踪装置提出了改进方案。设计了一种新型跟踪装置,采用液压马达驱动液压绞车带动反射镜转动跟随太阳,避免了采用双液压缸驱动时所需要的复杂轨迹规划。利用单片机控制实现装置的自动运行,设计了完整的液压驱动方案,详细描述了其工作原理,通过MATLAB仿真验证了跟踪装置液压系统的可行性。     

Design and characteristic research of a novel electromechanical-hydraulic hybrid actuator with two transmission mechanisms

Servo-hydraulic actuators (SHAs) are widely used in mechanical equipment to drive heavy-duty mechanisms. However, their energy efficiency is low, and their motion characteristics are inevitably affected by uncertain nonlinearities. Electromechanical actuators (EMAs) possess superior energy efficiency and motion characteristics. However, they cannot easily drive heavy-duty mechanisms because of weak bearing capacity. This study proposes and designs a novel electromechanical-hydraulic hybrid actuator (EMHA) that integrates the advantages of EMA and SHA. EMHA mainly features two transmission mechanisms. The piston of the hydraulic transmission mechanism and the ball screw pair of the electromechanical transmission mechanism are mechanically fixed together through screw bolts, realizing the integration of two types of transmission mechanisms. The control scheme of the electromechanical transmission mechanism is used for motion control, and the hydraulic transmission mechanism is used for power assistance. Then, the mathematical model, structure, and parameter design of the new EMHA are studied. Finally, the EMHA prototype and test platform are manufactured. The test results prove that the EMHA has good working characteristics and high energy efficiency. Compared with the valve-controlled hydraulic cylinder system, EMHA exhibits a velocity tracking error and energy consumption reduced by 49.7% and 54%, respectively, under the same working conditions.