气动钉枪的数学建模与仿真研究

为研究气动钉枪内部动态特性,运用变质量气体热力学理论建立了气动钉枪工作过程的数学模型,模型以气缸壁及枪体所围成的容积作为控制容积,应用了热力学第一定律和牛顿第二运动定律.在该模型基础上,分析了气动钉枪内部参数的相互作用,建立了动态特性微分方程组.利用四阶定步长龙格 库塔方法求解方程,得出了气动钉枪内部各腔室压力以及冲击活塞速度、位移随时间的变化情况,并对曲线的变化趋势进行了理论分析.仿真结果表明,气动钉枪活塞的冲击运动具有一个速度峰值,通过仿真计算可以设计出合理的结构,以获得最大冲击功.     

高速气缸压力反馈式缓冲阀

为了研制对活塞速度变化具有自适应能力的缓冲装置,本文将整个气缸工作过程分为工作阶段、缓冲阶段及排气阶段,并分别建立了各个阶段的数学模型.通过对高速气缸工作阶段的仿真及试验研究,得出了缓冲开始时刻进、排气腔气动参数与活塞速度的关系,在此基础上设计了对活塞速度具有自适应能力的压力反馈式缓冲阀.通过对该缓冲方案的仿真研究,得出了影响缓冲腔系统输出能量的主要因素即缓冲阀开启压力与活塞速度具有良好的线性关系,而且进入缓冲时刻的缓冲腔压力与系统输入能量及缓冲阀开启压力与系统输出能量均具有良好的线性关系,从而验证了此阀当活塞速度在1.8~2.2m/s范围内变化时,可以自动调节缓冲腔系统的输出能量,使其至少平衡掉运动部件动能的90%.     

高速电磁阀开启特性的光学测量

针对接触式传感器改变阀芯动态特性的问题,提出基于励磁线圈电流-电感特征的阀芯位移无传感器多项式模型,通过光学试验获取位移-电感耦合参数. 建立电磁开关阀磁路与电路的电磁耦合模型,得到励磁线圈时变电感与阀芯位移的函数关系. 搭建电磁阀光学测量试验系统,采用非接触式单束激光测量方法,在空气环境下捕捉阀芯位移. 建立阀芯电感-位移拟合算法,在25~29 V驱动电压、空气及油液环境下,对比电感求解与光学测量的阀芯位移. 结果表明,空气与油液环境下电磁阀电流-电感阀芯位移估计模型的平均估计误差分别为7.0%和9.2%,模型对驱动电压变化的敏感性小. 利用该模型可以较好地估计阀芯开启过程的位移变化.     

自由活塞膨胀机-直线发电机集成系统动力特性研究

为了提高车用内燃机余热能回收系统中膨胀机热功转换效率,通过试验与仿真相结合的方法,在压缩空气平台上对一台自由活塞膨胀机-直线发电机集成系统进行了试验研究,同时,基于MATLAB/Simulink软件搭建了系统仿真模型并进行了验证.基于该仿真模型研究了活塞初始位移、活塞-动子连杆质量以及工作频率等对系统动力特性的影响.结果表明:当仿真进气压力为0.188 MPa、工作频率为2.5 Hz时,初始位移存在唯一值-0.045 307 m,使得活塞以位移0点为中心做往复运动;当进气压力、工作频率一定时,活塞运动行程、速度峰值、加速度峰值以及指示功均随活塞-动子连杆质量增大而减小.当系统启动时,工作频率应高于固有撞击频率f₀,避免活塞对气缸顶面(或端面)产生撞击.     

基于AMESim气液联合式液压冲击器的建模与仿真

在分析液压冲击器工作原理的基础上,利用多学科领域复杂系统仿真平台AMESim搭建了气液联合式液压冲击器的仿真模型.通过设定不同仿真参数,得到不同工况下活塞的位移、速度、加速度及前后腔压力变化曲线.仿真结果可为液压冲击器元件的选型和参数优化提供依据.     

零重力模拟气动悬挂系统的建模及恒压控制

为模拟空间结构地面动力学测试时的零重力环境,针对研制的气动悬挂装置(PSD)采用比例流量阀开发了高精度的恒定气压控制系统.在分析了系统原理的基础上,建立压力控制系统的非线性数学模型.模型包含了比例阀的动力学特性、阀口流动的非线性、气缸容腔的压力动态和由实验结果拟合的气体泄漏.针对实现恒压控制的目标,采用输入输出线性化方法得到相对阶为2的等价系统,由于模型具有参数不确定和未建模动态特性,设计了基于观测器和等效控制的模糊滑模变结构控制器(FSMC).实验结果表明,设计的控制器对负载变化、气源压力变化、活塞运动和外部干扰均具有较强的鲁棒性,稳态压力波动小于26 Pa,实现了高精度的恒压控制.     

气浮无摩擦气缸及气浮特性仿真

为了满足气动系统中高精度伺服控制对低摩擦气缸的需求,提出一种利用静压气体轴承作为活塞的新型无摩擦气缸. 针对轴承耗气量及径向承载能力难以准确建模的问题,构建一种基于有限元数值求解方法的轴承气膜压力计算方法. 利用该方法,分析轴承的结构参数及时变的环境参数对轴承气浮特性的影响.结果表明,在节流孔末端引入均压腔能够显著增加了轴承的径向承载能力,消除气膜中节流孔附近的压力尖峰,使轴承稳定性增强;供气压力、径向载荷和偏心率等时变参数对气浮特性的综合影响增加了简化活塞泄漏模型的困难. 为了后续对气缸进行控制,根据气浮特性仿真结果,提出一种基于特定径向负载假设下的泄漏量模型简化方法.     

出口节流调速系统负载变化对液压缸压力的影响

在出口节流调速系统中,负载的变化特别是阶跃变化,液压缸两腔压力会发生动态变化,使活塞(杆)的速度产生波动,以及系统中液压元件主参数选择不当,出现液压元件损坏,影响液压系统的正常工作.通过试验,使负载发生阶跃变化,利用压力传感器测量液压缸两腔压力变化,特别是压力超调量的变化,得到了压力超调量的变化规律,并利用压力变化的动态特性,对系统中选取液压元件额定压力的计算公式进行了修正,为液压元件的选择提供一种思路.     

数字缸的动态特性仿真分析

应用螺旋机构原理设计出新型数字液压伺服缸,它是通过控制步进马达的转角直接实现对活塞位移的量化.为获得合适的结构参数,使其具有良好的动态性能,对数字缸进行数学建模,用Simulink工具构建成非线性动态系统模型框图,结合Matlab编程进行动态仿真分析,根据活塞下腔容积、工作载荷、螺旋槽断面尺寸和活塞半径4个主要参数变化获得的动态响应曲线,讨论了数字缸的结构参数和工作参数对动态特性的影响,进行了修正系统设计;结果表明,该结构参数下的数字缸具有优良的动态特性,尺寸小、成本低和抗污染能力强,特别在接近满负载、小行程工况下,性能更佳.因此,该数字缸在数控调整系统中具有很好的应用价值.     

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。     

Adaptive robust control for electrical cylinder with friction compensation using modified LuGre model

The position tracking control problem of an electrical cylinder in the presence of dynamic friction nonlinearities in its transmission process is addressed in this paper. First, a torque decou- piing approach is proposed to formulate the dynamic model. Secondly, to compensate the friction in the case of servo motion, a modified LuGre model is designed to make a continuous transition be- tween a static model at a high speed and a LuGre model at a low speed to avoid instability due to dis- cretization with a finite sampling rate. To accelerate the speed of estimating time-varying parame- ters, a fast adaption law is proposed by designing an attraction domain around a rough value related to the load force. Finally, a discontinuous projection based adaptive robust controller is synthesized to effectively handle parametric uncertainties for ensuring a guaranteed robust performance. A Lya- punov stability analysis demonstrates that all signals including tracking errors have the guaranteed convergent and bounded performance. Extensive comparative simulations with sinusoidal and point- point tracks are obtained respectively in low and high speeds. The results show the effectiveness and the achievable control performance of the proposed control strategy.     

双药室喷管气流反推减后坐机理

为解决发射高初速榴弹的榴弹机枪系统后坐力大的问题,提出了一种双药室拉瓦尔喷管气流反推减后坐技术.设计了适用于高速榴弹机枪系统的双药室拉瓦尔喷管减后坐装置,利用一维非定常流理论推导了双药室喷管低后坐武器的内弹道阶段和后效期阶段的气体动力学方程;将试验测得的压力峰值、弹丸初速及后坐力与仿真数值进行对比,验证建立的双药室喷管气流反推减后坐计算模型的正确合理性;计算双药室喷管低后坐武器后药室、前药室、导气室及喷管气室的压力,并分析压力参数随时间变化规律;对比分析双药室喷管武器与普通武器的膛压曲线、弹丸速度曲线,重点分析双药室喷管内气流压力、温度、密度和速度随时间变化曲线及在喷管内分布状况;探讨了后药室装药量、喷管导气孔直径及喷管内经对武器喷管反推力、喷管减后坐效率、弹丸初速等武器发射性能的影响.研究结果表明,在保持弹丸初速不变的情况下,合理匹配双药室减后坐结构参数,采用双药室喷管气流减后坐技术可实现武器低后坐发射的目的.     

Adaptive high precision position control of servo actuator with friction compensation using LuGre model

Adaptive control of servo actuator with nonlinear friction compensation is addressed.LuGre dynamic friction model is adopted to characterize the nonlinear friction and a new kind of sliding-mode observer is designed to estimate the internal immeasurable state of LuGre model.Based on the estimated friction state,adaptive laws are designed to identify the unknown model parameters and the external disturbances,and the system stability and asymptotic trajectory tracking performance are guaranteed by Lyapunov function.The position tracking performance is verified by the experimental results.     

基于卷积力矩观测器与摩擦补偿的机器人碰撞检测

针对常规工业机器人在未知环境下运行时可能产生碰撞的安全性问题,提出一种新型的机器人碰撞检测算法. 设计卷积力矩观测器,通过实时观测关节输出力矩与动力学估计力矩的偏差实现机器人碰撞检测. 为了避免机器人处于不同位姿、运动状态等情况下关节摩擦对机器人碰撞检测的干扰,采用静态LuGre模型对关节摩擦进行补偿. 通过对实际工业机器人的运动监测,辨识出更加准确的静态LuGre模型参数. 该碰撞检测算法无需加速度信息,避免了对位置反馈信息二次求导所带来的计算误差. 关节力矩基于关节伺服驱动的电流信息获取,无需安装专门的力/力矩传感器,从而在常规工业机器人无需额外配置的情况下,只需采集机器人关节驱动电机电流和位置信息即可实现碰撞检测. 通过人与机器人交互实验验证了该碰撞检测算法的有效性.     

一种直流力矩电机系统的自适应摩擦补偿方法

针对陀螺漂移测试转台直流力矩电机系统中存在的非线性动态摩擦和负载扰动，为提高转合位置跟踪精度，提出了一种新的自适应补偿方法。电机中摩擦模型采用摩擦参数为非一致性变化的LuGre动态模型。该方法控制器包含一个参数自适应律和等效PD控制律来估计未知LuGre模型参数和负载力矩参数并给与补偿。最后Lyapunov方法和仿真结果证明该自适应补偿方法保证了闭环系统全局稳定性和对期望位置信号的渐进跟踪，提高了转台摇摆跟踪精度。     

一种直流力矩电机系统的自适应摩擦补偿方法

针对陀螺漂移测试转台直流力矩电机系统中存在的非线性动态摩擦和负载扰动,为提高转台位置跟踪精度,提出了一种新的自适应补偿方法.电机中摩擦模型采用摩擦参数为非一致性变化的 LuGre 动态模型.该方法控制器包含一个参数自适应律和等效 PD 控制律来估计未知 LuGre 模型参数和负载力矩参数并给与补偿.最后 Lyapunov 方法和仿真结果证明该自适应补偿方法保证了闭环系统全局稳定性和对期望位置信号的渐进跟踪,提高了转台摇摆跟踪精度.     

节流阀出口节流调速系统动态特性研究

在节流阀出口节流调速系统中,负载的变化特别是阶跃变化,液压缸两腔压力会发生动态变化,使活塞（杆）的速度产生波动,甚至引起系统中液压元件损坏,影响液压系统的正常工作。以负载作为输入,液压缸有杆腔和无杆腔压力作为输出分别建立系统的数学模型,得到了液压缸两腔压力超调量的变化规律,并利用压力传感器测量了压力超调量的变化,通过试验对理论分析进行了验证,试验数据与理论分析相吻合,利用系统液压缸两腔压力动态变化规律,修正了液压元件主参数（额定压力）选择的计算公式,为系统设计以及元件参数选择提供依据。     

基于节流阀的进口节流调速系统动态特性研究

在进口节流调速系统中,负载的变化特别是阶跃变化,液压缸两腔压力会发生动态变化,甚至还会引起系统中液压元件损坏,影响液压系统的正常工作.以节流阀进口节流调速系统为例,建立以负载作为输入,液压缸无杆腔压力作为输出的系统数学模型,得到了液压缸无杆腔压力超调量的变化规律,并对理论推导与分析进行了试验验证,修正了液压元件主参数(额定压力)选择的计算公式,为系统设计以及元件参数选择提供依据.     

比例方向阀控气动缸动力机构建模

讨论了比例方向阀气动缸动力机械建模问题,采用工作点线性方法建立了动力机构和四阶模型,对位置系统和力系统推导了它的状态空间和传递函数形式,气缸两腔的压力动态存在差异,并且这个差异导致无法使用负载压降这个中间变量,基气动系统的这个特点,本文没有导出伺服系统的特性,并研究了平衡点附近系统模型参数的获取问题,为定量分析打下基础。