一种新型大流量数字阀

大流量开关阀一般采用多级先导结构,体积、质量较大,且先导流量和零位泄漏较大,为此提出了基于二维螺旋伺服结构的一体化大流量开关阀.该大流量数字开关阀利用螺旋伺服结构通过液压力将阀芯的旋转运动转换为阀芯的轴向运动,实现二级液压功率放大,无需另外配置先导阀.在分析大流量数字开关阀工作原理的基础上,利用流体动力学理论建立其数学模型;在MATLAB平台上采用龙格库塔数值算法编制仿真程序,进行理论分析;最后建立实验平台对理论分析结果进行验证.理论和实验结果表明:新型大流量数字开关阀具有良好的流量特性和良好的动态特性,阀芯位移2.7mm的时间约17ms.工作压力为3MPa、阀芯位移为0.25mm时,流量达到123.3L/min;工作压力为7 MPa、阀芯位移为0.2mm时,流量达到106.9L/min.     

压电陶瓷驱动精密流量阀的设计与建模

设计了一种精密流量阀,采用压电陶瓷驱动流量阀阀芯并控制其位移.在流量阀的减压出口处安装了金属橡胶,以消除流体通过节流口后压力剧烈变化所产生的纹波现象.设计了流量阀的结构,通过分析流经阀芯节流口以及金属橡胶的流体流量特性,基于节流阀芯的力平衡方程,建立了压电陶瓷驱动精密流量阀的电压 流量理论模型.在流量阀出口安装微压力/流量传感器并与控制器组成闭环控制系统,使得该流量阀具有自适应精密减压阀的功能.将减压阀与流量阀串联组合,可以实现对流体的精密减压与流量控制.多个相同的串联组合阀并联后具有数字比例调节阀的功能,在一定范围内可以实现对出口压力、流量的连续调节与控制.将该精密流量阀作为先导控制阀并与流量阀组合,成为具有高频响特性的精密大流量伺服阀.     

气压伺服系统的建模与特性

研究了比例流量阀静态和动态特性。通过理论分析和实验研究,得出了临界压力比随阀开口面积呈先增大后减小的非线性规律变化,其值在0.17到0.38之间。通过实验研究,计算出流量系数随阀开口面积呈非线性变化的规律,其值在0.55到0.77之间。采用正弦扫频激励信号和直接测量阀芯位移方法得出了阀的频率特性,随着输入信号幅值的增大,阀的带宽减小,而供气压力改变对阀带宽几乎没有影响。采用集中参数模型描述了气缸内气体与气缸壁以及气缸壁与外界的传热过程,推导出气体温度微分方程,建立了气缸内气体热力学模型。最后,进行了仿真和实验研究,仿真数据与实验数据吻合得较好。     

大流量插装式伺服阀数学模型及试验验证

针对插装式伺服阀在高速大流量电液伺服系统中表现出的非线性特征，以及在理论分析时不能对其进行线性化处理等问题，对该阀内部构成机理进行了分析.将其先导级数学模型简化为一个线性二阶环节并对其输入输出变量进行限幅，对其主阀芯进行动力学分析.在此基础上建立了插装式伺服阀简单实用的非线性数学模型.在试验平台上验证了该模型的正确性.试验结果表明，该阀的阶跃响应存在较大的纯滞后，且阶跃响应时间随阶跃幅值的增加而增加.基于该数学模型的仿真结果与试验结果的对比表明，该模型能够较为准确地描述此类伺服阀的动静态特征，可应用于高速大流量电液伺服系统的理论分析.     

单向高频正弦流量信号标定系统的建模与试验

为了标定单向动态流量信号，提出单向高频流量信号标定系统.该系统用动态缸活塞运动速度记录流量的动态变化，用流量计记录流量的稳态值.建立系统的数学模型和AMESim仿真模型，评估所提系统的动态标定性能.仿真结果显示，在输入正弦流量信号和阶跃流量信号后，标定系统经调整后会达到稳定状态，即动态缸活塞处于设定的行程中位。在输入50 Hz的正弦流量信号后系统仍未出现幅值衰减，具有良好的标定能力.搭建试验台，输入单向高频正弦流量信号进行标定系统试验，使用标定流量理论公式计算系统的输出值.试验结果证明，当输入变频率为5～30 Hz的正弦流量信号时，标定系统的输出值没有幅值衰减和相位滞后.系统的表现与仿真结论一致，具有标定单向高频流量信号的可行性.     

2D 数字伺服阀的动态特性试验研究

首先介绍2D 数字伺服阀的结构及工作原理, 该阀采用闭环控制的步进电机作为电―机械转 换器.然后设计嵌入式2D 数字伺服阀控制器, 为保证步进电机作为电―机械转换器具有较高的响 应速度, 同时又保证其具有较高的定位精度, 提出步进电机采用同步式伺服电机的控制方法, 在其 定子各相通入90°相位差的连续变化的正弦电流, 保证转子的输出角位移可以快速跟踪输入信号 的变化.为了获得2D 数字伺服阀的实际性能, 建立实验平台, 并对阀的性能进行实验研究.实验结 果表明, 采用同步式伺服电机控制算法的步进电机作为电―机械转换器的2D 数字伺服阀具有良 好的动态特性, 在幅值25 %的最大阀开口的正弦输入信号下, 对应-3 dB 的频宽约为130 Hz .     

幅相控制策略在六自由度运动模拟器中的应用

由于六自由度运动模拟器自身的闭环频率特性及非线性等因素,对于正弦输入信号存在幅值衰减和相位滞后,很难实现对高频正弦信号的精确跟踪,针对这一问题采用基于Widrow-Hoff学习算法的幅相控制策略.利用运动学正解间接得到的运动模拟器上平台位姿的反馈信号,通过该控制策略迅速地调整系统输入正弦信号的幅值和相位,使系统输出在短时间内对设定信号进行精确跟踪.仿真和实验表明,该方法在实现六自由度运动模拟器对正弦信号的精确跟踪问题上明显优于常规的经典控制,对于其他正弦运动的精确跟踪系统同样具有普遍意义.     

三级电液伺服阀零位高频自激振荡机理分析

通过对三级电液伺服阀的建模和仿真分析,揭示了三级电液伺服阀零位高频自激振荡现象的本质,即该现象是因小球由线性环节变化为磨损后的非线性环节并产生了极限环振荡而造成的。通过计算分析给出了极限环振荡的幅值、频率与小球磨损量之间的关系。     

小球式旋转直驱压力伺服阀卡滞机理研究

针对小球式旋转直驱压力伺服阀（BRDDPSV）静态测试卡滞问题,建立阀芯运动全局函数,包括基于缝隙流理论建立倾斜阀芯径向力模型,基于Coulomb摩擦理论建立阀肩触壁静摩擦-滑动摩擦模型. 理论解析曲线合理复现了静态测试卡滞问题：偏心驱动下阀芯逆时针旋转倾斜,右侧阀肩触壁,初始静摩擦导致阀芯卡滞,逐渐提升的电流水平克服摩擦形成阀芯运动超调. 为了保证电流指令与控制压力的近似比例特性,阀芯回拉复位,形成重复的正向驱动阀芯卡滞. 基于阀肩不触壁原则,获得阀芯是否卡滞阈值条件. 研究结果表明：增大阀芯与阀套初始半径间隙或减小小球偏离阀芯轴线的初始偏心量,均可以提高阀芯不卡滞的输出压力阈值;对于21 MPa系统压力及0~8 MPa输出压力的实际需求,在不改变其他参数的情况下,将初始半径间隙和初始偏心距分别调整为5.1 μm和0.2 mm,可以在维持原有性能的基础上获得阀芯运动全局不卡滞的最优解.     

基于回油液阻的压力伺服阀啸叫分析

对压力伺服阀的啸叫问题进行仿真与试验分析,验证了滑阀级回油液阻增大会引起伺服阀啸叫. 基于机电系统分析软件AMESim建立压力伺服阀完整的仿真模型,对比分析仿真与试验的动静态特性曲线,验证仿真模型的正确性. 分析滑阀级不同的回油液阻对衔铁组件中弹簧管振荡幅值的影响;剖析产生自激振荡的条件和本质原因;探究伺服阀内部振荡的传递路径. 研究发现,伺服阀滑阀级回油液阻的变化,会引起力矩马达衔铁组件的自激振荡,通过合理优化滑阀阀芯回油间隙可以避免这部分伺服阀振荡啸叫;通过增大滑阀至喷嘴腔容积也可以切断振荡传递以消除伺服阀振荡啸叫.     

PMSM无位置传感器控制的系统延迟补偿方法

提出了一种基于系统延迟补偿的永磁同步电机位置观测方法,以避免在高速下滑模位置观测器精度受永磁同步电机驱动系统中的模拟延迟和数字延迟影响而产生位置估计误差。首先,建立了用于位置估计的典型滑模观测器,并分析了滑模运动的可达性。其次,研究了模拟电路对定子电流的影响,推导了采样电路中的有源滤波、无源滤波及偏置电路的传递函数,计算了采样电路对定子电流造成的总延迟相位。再次,分析了滑模观测器的数字实现过程造成的电流相位延迟。又再次,提出了基于直接信号补偿的方法,补偿了以上因素造成的电流相位误差。所提延迟补偿方法不仅提高了位置估计精度,还改善了闭环控制的电流调节性能。最后,在8 000 r/min电机驱动平台上进行了实验,结果表明所提系统延迟补偿方法提高了位置估计精度。     

Motion control of thrust system for shield tunneling machine

The thrust hydraulic system of the prototype shield machine with pressure and flow compound control scheme was introduced. The experimental system integrated with proportional valves for study was designed. Dynamics modeling of multi-cylinder thrust system and synchronous control design were accomplished. The simulation of the synchronization motion control system was completed in AMESim and Matlab/Simulink software environments. The experiment was conducted by means of master/slave PID with dead band compensating flow and conventional PID regulating pressure. The experimental results show that the proposed thrust hydraulic system and its control strategy can meet the requirements of tunneling in motion and posture control for the shield machine, keeping the non-synchronous error within ±3 mm.     

稳健的特征空间基变换自适应波束形成

针对现有自适应波束形成器在阵元位置误差、幅相误差以及信号来波方向误差耦合时干扰抑制能力下降的问题,提出了一种稳健的基于特征空间基变换的自适应波束形成算法。首先,对导向向量中阵元位置误差、幅相误差以及信号来波方向误差的影响进行了建模;然后,通过利用真实信号子空间与导向矢量张成空间相同的特性,引入子空间距离的概念量化两个子空间相似程度,并构建出一个最小化空间距离的多维非线性优化问题;在此基础上,结合遗传算法与拟牛顿法的特点形成一种混合优化策略,在解除最优化问题后,得到信号子空间的一组非正交基;最后,将估计的信号子空间与噪声子空间组合为特征空间,通过对特征空间进行基变换提取出准确的干扰加噪声协方差矩阵,并对期望信号导向向量进行了修正。数值仿真结果表明：所提混合优化算法随着迭代数提高能够显著降低子空间距离,迭代数达到100次时,能够将子空间距离降低至1以下;在信号来波方向误差、阵元位置误差以及幅相误差同时存在,且输入信噪比为10 dB的情况下,所提算法的输出信干噪比与现有方法相比提高约14 dB。     

微扑翼飞行器位置控制研究

研究了微扑翼飞行器位置控制系统设计.在完成气动力计算模型和运动参数(拍动平面夹角、拍动频率、拍动幅值、旋转幅值)对气动力影响基础上,建立了微扑翼飞行器纵向动力学模型,采用了切换控制策略,选择拍动平面夹角和拍动幅值作为控制参数,利用位置误差和速度误差线性组合作为反馈信号,计算平均力,确定切换参数,完成控制规律设计.对爬升和水平飞行的控制进行了仿真实验.仿真结果表明,在切换控制策略下,Y方向上经过0.13 s后进入平飞阶段,Z方向上经过5 s后进入平飞阶段,在一定的误差范围内,所设计的控制规律可以实现位置控制.     

基于DSP的永磁同步电机软件式交流伺服系统

提出一种基于数字信号处理器(DSP)的三相永磁同步电机软件式交流伺服控制系统.充分利用TMS320F243DSP外设接口丰富、运算速度快的特点,采用坐标变换磁场定向控制、空间矢量PWM与数字PI控制策略,以光电脉冲编码器作为位置和速度传感器,实现软件式交流伺服系统的位置与速度控制.介绍软件交流伺服系统结构与控制软件体系,并进一步给出了实验研究结果.     

基于脉振高频注入的PMSM无传感器控制

传统的永磁同步电机(PMSM)无传感器驱动控制技术在低转速时, 由于反电动势幅值低, 所以存在转子角度误差大, 抖振现象严重等问题。为在各类PMSM的运行工况中均能得到转子的位置信息, 详尽分析了PMSM的数学模型, 提出了一种脉振高频电压信号注入策略。通过在估计的直轴中注入高频电压激励, 以构建交直轴电感差异的凸极效应, 通过检测交轴的高频电流响应以提取出转子误差信息, 实现了转子位置的实时追踪。理论分析和仿真结果均表明, 该策略能够准确辨识永磁转子的实时角度位置, 适用于PMSM的各类工况, 在瞬时增减负载时, 表现出较强的鲁棒性。     

H型精密运动平台交叉耦合模糊PID同步控制

针对双直线电机驱动的H型精密运动平台由于永磁直线同步电机参数变化和扰动等不确定因素致使两边的运动不同步问题,提出一种交叉耦合模糊PID控制方法.在单轴中采用模糊PID控制作为位置控制器,速度控制器用普通的PI控制,以保证单轴跟踪精度;双轴间引入交叉耦合控制方法,消除双电机之间存在的机械耦合,进而减小了双轴间的位置同步误差.结果表明,将交叉耦合与模糊PID相结合的控制方法能够使H型精密运动平台的同步误差收敛于零,并且使系统具有较好的跟踪性能与鲁棒性.     

基于前馈控制的交流伺服系统精确定位的研究

介绍了交流伺服电动机数学模型,叙述了伺服控制系统的设计原理和具体方法,在位置环、速度环和电流环的3环PI伺服控制系统的基础上,引进位置前馈控制来提高定位控制的性能,研究了前馈PI的控制方法.通过仿真进行了与普通伺服控制系统的对比,未加前馈控制跟踪误差较大,在位置环加前馈控制恒速段跟踪误差较小,但在加减速度段,误差成单调变化,在速度环上再加上前馈控制,位置跟踪误差会更接近于零.结果表明,引进前馈控制的PI交流伺服系统可以实现高精度位置控制,验证了前馈控制在指令信号跟踪性和抗干扰性方面的良好效果.     

基于分数阶PID和重复控制的快速刀具伺服系统

针对永磁直线同步电机(PMLSM)驱动的快速刀具伺服系统在高频输入信号时的系统跟踪精度问题,设计了一种分数阶PID重复控制算法.由于系统的参考信号和干扰信号都具有周期性的特点,通过对系统参考信号的跟踪和扰动的抑制研究,将改进型分数阶PID控制和重复控制相结合,利用重复控制对周期性输入或复杂干扰信号的跟踪和抑制能力来补偿分数阶PID控制器,使系统有快速响应能力的同时具有较强的抗干扰性.仿真结果表明,所提出的控制策略有效地提高了伺服系统的跟踪精度,并对周期性扰动有较好的抑制作用.