电液伺服系统摩擦力分析及补偿研究

该文以电液伺服系统的常用执行机构阀控对称缸为研究对象,通过试验实际测得摩擦力数据,并设计了摩擦力在线观测器,基于结构不变性原理提出系统摩擦力的动态补偿方法,进行了控制策略的研究,通过试验验证了摩擦力补偿策略的有效性。     

液压位置伺服系统的摩擦力观测器的设计

文中以对液压伺服系统低速运行时的摩擦力进行研究及实现摩擦补偿为目的，在对摩擦现象进行深入分析的基础上，提出了系统低速运行时摩擦力的动态补偿方法，并针对常见的电液位置伺服系统建立摩擦模型、设计了摩擦观测器。通过仿真及实验验证了该摩擦模型及动态补偿方法的有效性。     

基于LuGre模型的气动位置伺服系统摩擦补偿控制

气动伺服系统的摩擦力/驱动之比较大,摩擦力模型复杂、受影响因素较多且存在一定的不确定性,导致精确建模比较困难;另一方面,摩擦力和气体的低刚度、弱阻尼特性相互作用导致爬行、黏滑振荡现象,严重影响了伺服系统的动态及稳态性能的提升。在综合考虑摩擦力特征、系统自身非线性、未建模动态不确定性及摩擦力和系统性能相互影响的基础上,结合LuGre摩擦模型,采用双观测器估计摩擦力模型中的部分不确定性参数,提出非线性自适应反步摩擦补偿控制方法。通过在低速和高速工况下分别进行试验验证,并与PID控制方法进行比较,结果表明非线性自适应反步摩擦补偿控制方法有效改善了起步阶段的动态滞后现象,减少了低速工况下爬行及高速工况下的黏滑振荡现象,提高系统的响应速度及跟踪精度。     

基于离散型扰动观测器的直线电动机控制研究

针对推力波动、摩擦力等因素对直线电动机控制性能的影响,设计了一种基于扰动观测器的高速高精度位置伺服系统。采用离散时间的扰动观测器设计方法,对考虑与忽略时间延迟环节时,扰动观测器的品质进行比较。仿真分析与试验研究表明：在高速高精度的直线电动机运动控制中,引入带有时间延迟的扰动观测器,能够消除直线电动机速度响应曲线中的微小振荡,减小位置响应曲线中的超调和稳定时间。     

遗传算法与LuGre摩擦模型的非线性摩擦力观测器设计

广泛存在于机械系统中的摩擦现象在系统处于低速运动时会表现出复杂的强非线性特征,将大幅度降低系统位置控制性能,因此需要将摩擦现象进行模型化分析并纳入系统特性。对常见的摩擦模型进行了介绍和分析;并以能够较为全面描述摩擦现象丰富特性的LuGre摩擦模型作为基础,讨论并分析了其数学特性;采用遗传算法对其6个未知参数进行识别,设计了一种非线性摩擦力观测器。通过仿真与试验,对遗传算法的有效性和摩擦力观测器的效果进行了验证。试验表明,提出的摩擦观测器与传统摩擦模型相比,能使系统跟随滞后量减小40%,实现系统理想的控制性能和轨迹跟踪精度。     

高加速度直线伺服系统高精度运动控制器设计

在中国国家自然科学基金重大项目《先进电子制造中的重要科学技术问题研究》资助下，针对先进电子制造装备中的核心问题——高加速度直线伺服系统的高精度定位控制展开研究。就高加速度直线伺服系统的高精度定位控制控制算法，高加速度直线伺服系统高精度运动控制器设计所涉及的理论研究进展提出总结报告。 针对影响系统性能的摩擦力和外部扰动，提出基于LuGre动态模型的摩擦力补偿控制、基于LuGre模型的摩擦补偿与干扰观测器相结合的控制方案、改进型干扰观测器结构(IDOB)、具有前馈控制的鲁棒内模控制结构、自适应鲁棒滑模控制算法等5种控制方案     

航空发动机叶片砂带抛光力的干扰观测补偿控制

为提高叶片尺寸精度及表面质量,针对气体的可压缩性、阀的死区效应、阀的流量非线性、气缸摩擦力和测量噪声等干扰因素对叶片抛光力控制精度的影响,提出了一种基于干扰观测器的反向传播神经网络比例—积分—微分控制方法.该方法通过构造干扰观测器来预测抛光力气动控制系统中的非线性干扰,并在控制中引入等效的补偿来抑制干扰,同时利用反向传播神经网络控制算法对比例—积分—微分控制参数进行在线自适应整定.仿真分析和实验结果表明,基于干扰观测器的反向传播神经网络比例—积分—微分控制器具有控制精度高、鲁棒性强、抑制干扰能力强等优点,能够提高叶片型面尺寸精度和表面一致性、降低表面粗糙度、减小残余应力并提高抛光效率.     

快速反射镜系统的扰动抑制控制研究

快速反射镜（Fast Steering Mirror,FSM）作为惯性稳定平台的精跟踪控制系统,能够进一步提高惯性稳定平台的视轴稳定精度。针对FSM在工作过程中受到的外界风力干扰、载机姿态变化和内部摩擦力等多源扰动,设计基于干扰观测器（Disturbance Observer,DOB）的抗扰控制方法。先建立FSM的数学模型,对实体快反镜进行模型辨识,然后设计基于干扰观测器的速度环扰动抑制控制方法。通过仿真实验验证了所设计干扰抑制方法的有效性,可为扰动抑制方法的工程应用奠定基础。     

基于Friedland-Park非线性观测器的气动伺服系统控制研究

由于气动位置伺服系统非线性强、快速精确控制比较困难,该文设计了Friedland-Patk非线性加速度观测器,结合实验研究,采用位置、速度、加速度闭环变参数控制策略进行气动伺服系统的位置控制研究.该策略既可以避免位移信号重复微分而引起的失真,又有效地抑制了非线性摩擦力的干扰.实验结果表明,该控制策略结构简单,实用性强,控制精度达到要求,适合推广应用.     

基于扰动观测器和推力观测器的永磁直线同步电机推力控制研究

针对高精度永磁直线同步电机存在参数变化、负载扰动、摩擦力和端部效应等不确定性而引起推力波动的问题,提出了一种将扰动观测器(DOB)和推力观测器(TFOB)相结合的推力控制方法。采用了DOB作为内环控制器抑制并补偿不确定性因素对系统的影响,减小了测量噪声对系统的影响;同时,设计了TFOB作为外环控制器确保DOB输入的准确性,解决了DOB无法彻底抑制PMLSM系统存在的推力波动问题;建立了环境接触模型,对引起推力波动的参数进行了离线辨识,提高了推力控制带宽。研究结果表明:与DOB控制方法相比,无论是电机平稳运行情况还是突加扰动情况,基于DOB和TFOB的推力控制方法都取得了较为优越的控制性能。     

A method of accurate position control with a pneumatic cylinder driving apparatus

In this paper, a method of accurate position control using a pneumatic cylinder driving apparatus is presented. To overcome the effect of friction force and transmission line, low friction type cylinder applied externally pressurized air bearing structure is used and two control valves attached both side of the cylinder directly. To compensate nonlinear characteristics of control valves, linearized control input derived from the relation between control input and effective area of control valve, and dither signal are applied to the valve. The controller applied to the pneumatic cylinder driving apparatus is composed of a state feedback controller and a disturbance observer. Experimental results show that the effectiveness of the proposed method and position control error of 5 μm accuracy could be obtained easily.     

Position control of a rodless cylinder in pneumatic servo with actuator saturation

In this paper, positioning control of a rodless cylinder in pneumatic servo systems with actuator saturation is investigated via an active disturbance rejection control. A linear extended state observer is designed to estimate and compensate strong friction force and other nonlinearities in the pneumatic rodless cylinder system. An actuator saturation linear feedback control law is developed to further improve the control performance. Furthermore, a linear matrix inequality-based optimization algorithm is employed to estimate a strictly invariance set for the closed-loop system. Experiment results with response time 0.5 s and accuracy 0.005 mm for a 200 mm step signal demonstrate the effectiveness of the proposed control strategy.     

Dynamic Friction Control Using Dynamic Structured RFNN and Friction Parameter Estimator

A nonlinear dynamic friction control is dealt with using dynamic friction observer and intelligent control.The adaptive dynamic friction observer based on the LuGre friction is proposed to estimate the friction parameters and a directly immeasurable friction state variable.The dynamic structured Recurrent Fuzzy Neural Network(RFNN)is designed to give additional robustness to the control system under the presence of the friction model uncertainty.A proposed composite control scheme is applied to the position tracking control of the servo system.The performances of the proposed friction observer and the friction controller are demonstrated by simulation.     

气缸摩擦力的颤振补偿与仿真

针对气缸摩擦力对系统控制性能造成的不良影响,提出了一种新的摩擦力补偿方法。首先对气缸的摩擦力进行测试分析,然后通过在控制信号上叠加颤振信号来补偿气缸摩擦力,消除了气缸摩擦力对系统稳定性及定位精度的影响。最后通过MATLAB仿真表明所用的补偿方法的正确性和有效性。该补偿方法具有较高的工程应用价值。     

挖掘臂的液压缸摩擦模型辨识与分析

挖掘臂的液压缸摩擦力使系统动态特性恶化,对其进行有效的摩擦补偿是提高控制性能的关键。为获得液压缸的精确摩擦模型,建立了铲斗关节动力学方程,方程中分别采用了库仑摩擦、库仑+黏性摩擦及Stribeck摩擦模型。针对系统中存在的有色噪声,采用了改进的递推最小二乘法辨识未知参数。将辨识的三种摩擦模型进行对比分析表明,Stribeck摩擦模型精度最高,能很好地预测液压缸驱动力。其中,Stribeck摩擦模型的辨识误差比库仑+黏性摩擦及库仑摩擦分别减少约8%与18%。     

Frictional evaluation of thermally sprayed coatings applied on the cylinder liner of a heavy duty diesel engine: Pilot tribometer analysis and full scale engine test

The piston system accounts for roughly half of the mechanical friction of an internal combustion engine, thus it is important to optimize. Different thermally sprayed cylinder liners were investigated in order to optimize the frictional impact of the contact between cylinder liner and piston ring/piston. A novel tribometer test setup was used to scan through different materials at different running conditions. Two cylinder liner materials showed significantly lower friction than the other tested materials, CrC–NiCr and MMC. All the thermally sprayed cylinder liners were worn significantly less than the reference material. Based on these results a full-scale single cylinder test was performed to validate the results from the rig. Comparing the thermally sprayed cylinder liner MMC with reference cylinder liner the test showed higher friction torque for the MMC cylinder liner except in one case; at low speed and high pressure. An analysis of the results between the tribometer and the engine points at the importance of the ratio between viscous and mechanical friction losses. The most probable cause of higher friction torque for the thermally sprayed coating (MMC) is that the functional surface of the cylinder liner promotes an increase in viscous friction.     

双辉光离子渗铜对缸套-活塞环摩擦学性能的影响*

为研究铜元素对缸套-活塞环摩擦学性能的影响,通过双辉光离子渗透技术在缸套材料表面加工出不同厚度的渗铜改性层,使用RTEC多功能摩擦磨损试验机开展不同负载、不同润滑条件下的模拟试验,采集并分析试验过程中的摩擦因数以及试验后体积磨损量和磨损表面形貌,研究渗铜改性层对缸套材料摩擦学性能的影响规律及作用机制。结果表明：渗铜处理可有效降低缸套-活塞环摩擦副的摩擦因数,减少磨损量;高载荷和干摩擦条件下渗铜改性层的减摩抗磨作用效果尤为显著,最高可使摩擦因数分别降低13.15%和30.86%,磨损量分别降低30.70%和38.57%;渗铜后缸套-活塞环磨损表面形貌平整,摩擦表面形成了铜含量较高的润滑膜层,该表面膜起到了减摩、耐磨的作用。     

表面形貌对活塞环密封及摩擦性能的影响

综合考虑活塞环表面形貌、弹性变形、运动面型线影响,建立柴油机活塞环-缸套摩擦副的弹性流体动压润滑计算模型,分析活塞环表面纹理方向及粗糙度大小对活塞环窜气及摩擦功耗的影响。研究发现,随着转速的提升,活塞的窜气量及摩擦功耗会加剧,导致发动机效率降低;活塞环-缸套摩擦副的表面纹理方向影响窜气量和摩擦功耗,采用活塞环横向纹理和缸套纵向纹理配合时,对活塞环窜气量及摩擦功耗的改善效果较好;活塞环和缸套的表面粗糙度对密封和润滑特性有较大影响,当缸套表面粗糙度增大时,窜气量先减小后增大,摩擦功耗先增大后减小,而在一定范围内,当活塞环表面粗糙度增大时,窜气量和摩擦功耗都减小。     

A Model for Wear and Friction in Cylinder Liners and Piston Rings

Abstract

A one-dimensional elstohydrodynamic mixed lubrication wear and friction model is developed. The model can predict the effects of surface roughness, asperity contact, temperature-pressure-viscosity on wear, lubrication, and friction of the piston rings and cylinder liner. Wear is predicted based on the surface asperity contact pressure. The cylinder bore wear and the ring pack friction during an engine break-in are simulated and compared with the experimental results. The influence of cylinder wall temperature and surface roughness on friction and wear is investigated. The ring pack friction due to oil viscous shearing and asperity contact is found to reach its minimum at a certain oil temperature.