基于扰动补偿的磁悬浮转台分数阶滑模控制

针对存在非线性、耦合性和不确定性的磁悬浮转台的高精度运动控制问题,提出一种基于非线性干扰观测器的分数阶滑模控制方法以提高跟踪精度.首先,基于系统电磁力模型和动态解耦方法,构建六自由度磁悬浮转台系统动力学模型;其次,设计非线性干扰观测器,对包含系统误差、六自由度间耦合项和外界干扰的集总扰动进行估计,证明了估计误差有界且可调节到任意小;然后,在离散域提出了一种分数阶滑模面,采用分数幂函数替代传统符号函数来抑制抖振,引入分数阶微积分来减小跟踪误差;最后,设计有限时间收敛的分数阶滑模控制策略,并利用李雅普诺夫稳定性理论证明闭环系统稳定性.实验结果表明:与整数阶滑模控制方法相比,采用所提方法,2个水平自由度和绕竖直方向旋转自由度对三角波的跟踪误差均方根分别减小了12.8%、16.8%和23.7%,最大跟踪误差分别减小9.26%、13.00%和33.20%;跟踪圆形轨迹时,2个水平自由度的跟踪误差均方值分别减小6.39%和12.40%,最大跟踪误差分别减小9.90%和12.10%.

多策略融合改进的自适应蜉蝣算法

为改进蜉蝣算法全局搜索能力较差、种群多样性较小和自适应能力弱等问题,提出一种多策略融合改进的自适应蜉蝣算法(MIMA)。采用Sin混沌映射初始化蜉蝣种群,使种群能够均匀分布在解空间中,提高初始种群质量,增强全局搜索能力;引入Tent混沌映射和高斯变异对种群个体进行调节,增加种群多样性的同时调控种群密度,增强局部最优逃逸能力;引入不完全伽马函数,重构自适应动态调节的重力系数,建立全局搜索和局部开发能力之间更好的平衡,进而提升算法收敛精度,有利于提高全局搜索能力;采用随机反向学习(ROBL)策略,增强全局搜索能力,提高收敛速度并增强稳定性。利用经典测试函数集进行算法对比,并利用Wilcoxon秩和检验分析算法的优化效果,证明改进的有效性和可靠性。实验结果表明:所提算法与其他算法相比,寻优精度、收敛速度、稳定性都取得了较大提升。

基于模糊控制的快速自动安平激光扫平仪

研制了一套全新的自动安平机构,以解决传统激光扫平仪无法同时兼顾安平精度、范围和速度的问题。首先,改进了传统自动安平仪器中的倾角传感器,设计了一种带有补偿环节的电子水泡以满足仪器的精度要求;其次,基于PID控制方法设计了用于实现仪器自动安平的闭环控制系统,同时引入模糊控制思想,使其达到了仪器自动安平的速度要求;最后,优化了仪器机械结构,有效增大了仪器的安平范围。实验测试结果表明,该扫平仪在-10°～+10°的安平精度达到10″,且自动安平时间小于10s。传统的激光扫平仪相比,设计的安平仪具有安平精度高、扫描范围大和安平速度快等特点。

多功能墙体探测仪的设计方法

针对墙体中水管、电线、金属物体的探测问题,设计了3种无源传感器,并设计了相关数据处理方法以确定被测物体的中心位置。利用PCB覆铜,制作了用于探测水管的电容极板以及用于探测电线的金属天线。建立了水管检测模型,得到输出信号随被测物体位置的变化规律。基于差分探头模型,提出了一种利用PCB线圈作为敏感单元的金属探测方法,通过数值计算,保证了差分线圈的平衡。最后,针对上述传感单元,设计了被测物体的中心检测算法。测试数据表明,各传感单元均具有较大的探测深度,中心检测误差均在合理范围之内。

介电常数法在墙体水管探测中的应用

文中利用水与建筑材料介电常数差异很大的特点,设计了一款电容传感器用于墙体水管探测.基于空间静态电场的拉普拉斯方程建立了电容传感器的探测模型,通过松弛迭代进行解算,得到了传感器输出电容随被测水管位置的变化规律.文中还基于脉宽调制法设计电容传感器的测量电路,并利用模糊PID控制单元调节电路激励电压,以保证测量电路快速进入工作状态.针对该传感单元,设计了墙体中水管的中心检测算法.测量结果表明,PID控制单元可以迅速、准确地完成测量电路激励电压调节,以使传感器适应不同的工作环境,系统能在120mm厚度墙体内完成水管探测,并在70mm厚度墙体内可以完成中心定位.

一种程控滤波器的设计

该系统以单片机为控制核心,结合双二阶环路滤波器的基本原理,使其同时具备低通、高通、带通、带阻滤波器的功能,利用DAC等效为可变电阻,实现了滤波器参数的程控。该系统可通过键盘设置滤波器的种类、截止频率和Q值,低通、高通滤波器截止频率以及带通、带阻滤波器中心频率可预置范围为100 Hz^50 kHz,Q值范围为0.5~5。系统采用矩阵键盘和LCD液晶显示,人机交互界面友好。

基于超定方程组的相位激光测距解模糊算法

快速准确的测距解模糊算法是相位式激光测距仪实现快速测距的关键问题。研究了一种基于超定线性方程组的相位测距解模糊算法,该算法避免了对最优解的搜索,因而运算量小、求解速度快。首先使用差频测相法在较大的不模糊距离上捕获到目标,获得近似距离值,然后使用这一距离值准确求解出不同频率调制波之间的周期数之差,从而构建超定线性方程组,最后应用最小二乘法求解出准确距离。同时还对该算法的2种解法进行计算机仿真,比较仿真结果,选取用间接法求解目标距离,并对该解法进行了精度分析。对3台K-60系列激光测距仪在精度为0.18 mm的国家标准基线上进行了测距试验,结果表明,3台样机的平均测量误差小于2 mm,测量标准差小于1 mm,验证了该算法是有效的。

基于正交调制的激光测距系统和解模糊方法（英文）

提出一种基于正交调制的激光测距系统,该方案与传统的二次混频方法相比,提高了相位测量精度并简化了系统的硬件设计,针对距离测量过程中的距离模糊问题,提出了一种基于超定方程组的距离解模糊算法,避免了对最优解的搜索,最后使用2台K60激光测距仪和3台基于本方案的测距仪在精度为0.18mm的国家标准基线上进行对比试验,结果显示,测距时间少于1.8s,平均测量误差在2mm以内,在60m的量程内测距标准差在1mm以内,验证了该方案相比较传统的方法具有更高的测量精度和速度。

正交调制降频相位式激光测距

为了提高激光测距的精度与稳定性,通过改良传统相位激光测距仪,设计了新型正交调制降频与最小二乘法解相位的相位式激光测距仪。使用反射镜实现内外测距光路,通过正交调制技术对发射激光进行幅度调制,接收模块接收到的回波信号经过混频器后再经过低通滤波器将回波信号降频,降低解相难度并提升解相精度。改用分时测量得到距离相位从而消除二次混频方法所产生的附加相移,分别对内外光路低频回波信号采样进行模数转换后使用最小二乘法求解相位。采用多频率调制测量兼顾激光测距范围与测量精度,最后通过超定方程解模糊算法求解多频测距的待测距离。在国家标准基线上进行样机测试,实验结果表明,在60m量程内正交调制激光测距仪的测量平均误差控制在1.5mm以内,测距量程内标准差保持在0.9mm以内。

FTIR光谱仪中基于定镜调整的动镜运动控制研究

动镜是FTIR光谱仪中唯一不断运动的部件,动镜的匀速运动性能以及动镜与定镜的准直性好坏影响干涉效果和光谱图质量,直接制约着仪器的精度和分辨率,对仪器整体指标起着重要作用。文章围绕FTIR光谱仪中干涉仪动镜运动的匀速性以及其与定镜的准直性展开研究,使用相位检测技术对定镜的姿态作出动态调整以补偿动镜与定镜间的倾斜夹角,并且设计了具有磁悬浮特点的动镜支撑系统。文章采用改进的模糊PID控制算法实现动镜运动速度的精确调节,对该控制方案从硬件设计和算法上实现。结果表明所研发的动镜运动控制系统具有足够的精度和实时性,能够保证FTIR光谱仪中干涉仪所需的准直性及动镜匀速性的要求。

改进的各向异性扩散方程的超声图像滤波方法

针对传统各项异性扩散模型容易产生板块分区,模糊图像细节等问题,提出一种改进的各项异性滤波算法。该方法引用双曲正切函数构造扩散模型的扩散系数,避免了传统各项异性扩散模型在均匀区域产生的板块分区问题;并通过使用衰减因子提高在非均匀区域的扩散敏感性,能够更好地保留图像的边缘细节信息;同时引入相对平滑增量,自适应监控图像的滤波程度,并自动终止迭代过程。仿真实验表明,提出的滤波方法能够有效滤除超声图像斑点噪声,并消除传统各项异性扩散模型产生的板块分区问题,提高了对图像细节信息的保留能力,并增强了与原图像的结构相似度,是一种有效的斑点噪声降噪方法。

工科大学生解决复杂工程问题能力的培养

测绘仪器的开发与创新不仅是当前测绘信息化阶段工程本科人才培养的重要环节,也是工程教育认证中解决复杂工程问题的基本要求。仪器系统综合设计训练能够有效锻炼工科大学生解决复杂工程问题的能力。本文在明确专业认证中复杂工程问题的基本内涵后,介绍了仪器系统综合训练实验内容的设计方法,并梳理项目设计任务与复杂工程问题间的关系,同时结合课程反馈优化实践课程设置,将解决复杂工程问题的能力培养落到实处,为测绘类、仪器类相关专业培养方案的制订提供参考,使其符合工程教育认证标准要求。

精密机械设计MOOC+翻转课堂教学模式研究

为了提高教学质量,培养高素质的工科人才,针对精密机械设计工科基础课传统课堂教学模式产生的诸多弊端,武汉大学测控技术与仪器专业结合现代网络与多媒体技术,将传统课堂教学与国家精品在线MOOC教学有机结合,构建多样的知识获取途径和多元师生交流方式的混合式教学模式,培养学生的自主学习与创新能力,提高仪器类工科专业的教学水平。

精密机械课程教学改革与人才培养探索

随着教育科技的不断改革,高校必须加强对学生综合素质的培养。文章以仪器科学与技术学科为主题,针对精密机械设计课程教学现有的弊端,将慕课+翻转课堂的教学模式引入精密机械课程教学中,探索一种基于“互联网+”的教学方式,以激发学生的自主学习能力与创新能力;并将传统课堂教学与国家精品在线MOOC教学有机结合,建立多样的知识获取途径和多元师生交流方式的混合式教学模式,培养学生的自主学习与创新能力,提高仪器类工科专业的教学水平。

一种磁悬浮平面电机多目标优化方法

在磁悬浮平面电机的设计过程中,为了实现更大的电机推力系数以及更小的电机功耗及成本,需要对电机的相关尺寸参数进行优化。在多目标优化方法的基础上提出了一种针对磁悬浮平面电机尺寸的优化方法。为了实现优化结果的精确性以及优化过程的高效性,采用高精度磁力数值模型对电机所产生磁力进行计算。该数值模型基于磁荷节点法,运用高斯积分求解磁力。在此基础上,智能优化粒子群算法被用来搜索最优的磁悬浮电机尺寸参数。通过有限元仿真软件COMSOL■和边界元软件RadiaTM对该优化方法及已有的磁悬浮电机优化方法进行仿真分析,验证了该优化算法的准确性和有效性。此外,通过将仿真结果与实测结果进行对比,进一步说明了该优化算法的可靠性和可行性。

基于单片机和FPGA的扫频仪设计

以89S52单片机和FPGA为控制核心,设计了一个测试四端网络幅频特性和相频特性的扫频仪。系统功能分为扫频信号产生、幅频特性测试、相频特性测试等模块;而操作部分包括矩阵键盘、点阵式液晶显示器、波形显示电路。系统可以测量未知网络特定频率点的频率特性,此外,用户还可以通过键盘设置扫频信号的上下限,并利用示波器精确的显示幅频、相频曲线。

基于COMSOL的三维扬声器多物理场仿真

为了提高扬声器等音频设备的设计效率和工作性能,通过多物理场分析软件对扬声器模型进行建模分析,并且基于扬声器的工作原理提出了一种对三维复杂模型进行单项解耦的分析方法,该方法是把磁场单独提出来进行仿真计算,将结果带入到声—固耦合仿真从而达到全耦合的效果。利用该方法对模型进行时域仿真,其中分析了BL因子随音圈振动产生的非线性失真对仿真的影响,分析了单项解耦方法得到下的仿真结果,并将声压级曲线与传统多物理场全耦合方法的结果进行对比分析,讨论了单项解耦方法的可行性和优势,得到了在三维扬声器中单项解耦方法比全耦合方法更高效、准确的结论。

基于VCA822的可编程增益放大器

以单片机89S52和FPGA为控制核心,基于压控增益放大器VCA822,设计一个能够对频率范围100 Hz～15 MHz,幅度范围2 mV～2 V的信号进行调理的程控增益放大器。该放大器增益10～58 dB可调,且引入噪声很低,并具有自动增益控制和显示输出电压峰值的功能。放大器的输出端采用宽带运放AD811和分立元件搭建的推挽电路,加强该放大器驱动负载的能力。

基于ZYNQ的磁悬浮天平测量系统设计与实现

针对磁悬浮天平系统存在设计结构复杂,造价昂贵的局限性同时测量数据漂移,长期测量的精度波动以及依赖于PC端来处理数据的问题,提出了基于ZYNQ的磁悬浮天平测量系统设计,设计运动控制器保证天平高精度定位的稳定性以减小天平托盘位置变化对驱动电流测量的影响,同时设计的小型ZYNQ系统完成AD、DA接口传输数据并在soc中完成数据的处理,回避了传统测量系统依赖PC端处理数据且受到PC端供电电源波动噪声而对测量精度产生的影响等缺点,以及通过修正算法抑制长时间测量所可能产生的数据漂移。实验结果表明:基于ZYNQ的磁浮天平测量系统优化了设计结构且造价低的同时保证了磁悬浮天平测量精度,有效抑制长时间测量带来的噪声和漂移。

快速自动安平激光扫平仪设计及误差分析

基于扫平仪自动安平的原理,设计了一种电子水泡水平传感器,并采用分段P调节的控制思想,研发了一套合适的控制方法,实现了扫平仪的自动安平,达到了仪器设计的精度要求.此外,还优化了激光扫平仪结构的总体设计方案,完成了仪器在较大安平范围内快速自动安平功能.并对仪器误差来源进行了分析与讨论.测试结果表明:该扫平仪在-10°～+10°的角度调整范围内达到了10″的安平精度,且自动安平时间少于15s,达到了高效率、高精度的设计要求.