“现代控制理论”课程教学改革与实践

针对“现代控制理论”课程基于线性空间理论推导较为抽象,与工程实践相对脱节,使得工程类学生学习和掌握课程内容较为困难的问题,提出了基于案例式的教学改革举措。加强案例性或项目式教学环节在课程内容体系中的作用,强调理论与实践紧密结合,以电液伺服系统为例开发课程教学案例,以提高学生状态空间建模、仿真和基于现代控制理论的系统调试能力为目标,以该案例贯穿课程始终,提升学生的现代控制工程素养,同时增加思政元素以激发学生理论和工程创新意识。

气浮活塞优化设计及其径向承载力试验研究

对于气缸的高精度伺服控制而言,从根本上消除摩擦力具有重要的意义。气浮活塞是气浮无摩擦气缸的重要构成部件。在气缸的运行过程中,气浮活塞的径向承载力不足会引发活塞与缸筒内壁接触,致使气体润滑失效。为了提高无摩擦气缸中气浮活塞的径向承载性能,期望在实现更大承载力的前提下尽量减少耗气量,采用有限元仿真与试验相结合的方法,开展了气浮活塞径向承载力的研究工作。首先,采用Fluent软件仿真分析了供气压力、偏心率和节流孔直径等参数对气浮活塞径向承载力和耗气量的影响;然后,在综合考量后,优选出了气浮活塞的节流孔径,并以此加工出了气浮活塞样机;最后,为了测试实际情况下不同供气压力和偏心状态下的气浮活塞的径向承载能力,设计并搭建了一套以气浮无摩擦气缸作为加载装置的高精度径向承载力检测装置。研究结果表明:从定性的角度上看,仿真和试验结果趋势一致;从定量的角度上看,试验结果与仿真结果的吻合度在90%以上。该研究可为采用Fluent软件仿真研究气浮活塞径向承载力的准确性提供依据,为后续仿真模型的修正提供一定的指导。

比例阀控气缸系统确定性鲁棒反步运动跟踪控制器

为实现气缸运动轨迹的高精度鲁棒控制,建立了比例阀控缸系统的数学模型,并基于反步法设计了一种能够有效抑制系统模型参数不确定性、未建模动态和外界扰动等因素影响的非线性确定性鲁棒控制器。利用MATLAB中的Simulink模块构建气缸运动轨迹跟踪控制系统仿真模型。采用MATLAB/Simulink中的xPC-Target开发了基于非线性确定性鲁棒控制器的气缸运动轨迹实时控制系统。仿真结果表明所设计控制器是可行的。试验结果表明该控制器能够有效地跟踪参考轨迹,跟踪0.3 Hz正弦轨迹时的最大跟踪误差为0.89 mm,约为幅值的2.97%;跟踪0.4 Hz正弦轨迹时的最大跟踪误差为1.02 mm,为幅值的3.4%。

变泄漏容腔内气体的高精度恒压控制

在精密测试与控制场合,常需要稳定压力的供气。然而,采用压力调节阀精度低、响应慢,无法满足高精度供气需求,且难以应对泄漏工况。采用高频响的比例阀,为小体积容腔设计了一个基于模糊比例-积分的高精度恒压控制系统。为验证系统在泄漏工况下的有效性,容腔还连接了一个额外的比例阀,从而开展密闭、恒泄漏、变泄漏三种情况下的系列试验研究。结果表明,所设计的恒压控制系统可适应多种恶劣工况。在大幅变泄漏工况下,10 L、20 L和30 L容腔压力控制的最大稳态误差分别约为610 Pa、550 Pa和490 Pa,所实现的压力控制精度已接近压力传感器自身精度,远大于传统精密减压阀所调控的精度,且响应更快。此外,试验结果也表明所设计的控制器对10~30 L的容腔有较好的适应性。

基于非线性模型的电气离合器执行系统位置伺服控制

为了实现电气离合器执行系统的位置伺服控制，构建了离合器气动执行系统。通过运用引入死区的滑模控制算法于系统，采用不基于模型的控制实现离合器气动执行系统对参考运动轨迹的跟踪，利用轨迹跟踪过程中气缸的气压驱动力间接估计离合器的载荷特性。理论上采用此方法间接估计到的值误差小，更加贴近离合器在此种轨迹运动下实际的载荷特性。试验表明引入估计得到的离合器载荷特性模型于基于模型的积分滑模控制器可以很大程度提高离合器气动执行系统轨迹跟踪精度。

基于进口节流调速气缸爬行特性

为了避免气缸运动过程中出现爬行现象,应用试验分析供气压力、节流口声速流导、外作用力、以及进气腔初始体积在实际应用中对气缸爬行的影响.通过对爬行现象的分析及现有的研究提出爬行判据,以此判据为依据设计不同工况下的临界爬行试验.对试验曲线进行观察发现,气缸最终趋于匀速运动.通过对临界爬行试验数据进行多项式曲面拟合,得到以供气压力、节流口声速流导以及外作用力为参数的气缸爬行经验判别函数式.为了验证该判别函数式的有效性和可行性,对另一个同型号的气缸进行多次试验.结果表明,采用该经验判别函数式能够有效地预测不同供气压力、节流口声速流导及外作用力下同型号气缸是否产生爬行现象.

电控气动离合器执行器滑模轨迹跟踪控制

为了实现电控机械式自动变速器的电控气动控制,建立由1个位移传感器、2个压力传感器及4个开关电磁阀组成的离合器气动执行系统.采用滑模控制算法使系统对干扰和不确定性具有很强鲁棒性,同时为了减小颤振改善控制率,控制算法中引入死区.通过开关阀直接实施滑模控制率而不通过脉宽调制,可以降低噪声和能耗、延长阀的使用寿命、增强系统硬件的可靠性.离合器气动执行系统分别对正弦信号、光滑方波信号、离合器参考信号进行跟踪试验,结果表明:该算法具有良好的轨迹跟踪精度及相对低的稳态跟踪误差,验证了算法的有效性和可行性.

新型双作用气浮气缸优化设计及其工况分析

由于普通气缸摩擦力存在时变性和不确定性,故其摩擦力无法准确获取,难以实现气缸高精度的力伺服控制。基于静压气体润滑原理并结合空气轴承结构,构建了一种带有环形卸压槽的新型双作用气浮无摩擦气缸,实现了气缸活塞与缸筒内壁间的非接触无摩擦。该气缸的气浮活塞具有独立供气的特点,解决了传统气浮气缸往复运动过程中两腔气压变化时气浮活塞承载力不够而引起的活塞与缸筒接触产生摩擦的问题。采用Fluent软件仿真分析了偏心量、节流孔径、气膜厚度等因素对气浮活塞径向承载力和耗气量的影响,得出了多种气膜厚度下最优的气浮活塞节流孔径;研究了偏心量、供气压力对此最优节流孔径的影响,发现了其随偏心量增大而减小、随供气压力增大而增大的规律;开展了不同工况下活塞-活塞杆组件在缸筒中非接触无摩擦运动时的受力情况分析,得出了气缸空载工况时最低供气压力以及加载工况时最大外负载力与供气压力的关系式。研究结果可为该气浮活塞外径和节流孔径参数的选取、供气压力的确定提供参考,进而达到不同工况时满足径向承载力要求后的耗气量尽可能少的目的。

新型高频纵振减摩气缸的滑模运动轨迹跟踪控制

为了改善气缸的运动伺服控制精度,设计了一款基于压电叠堆逆压电效应和振动减摩原理的新型高频纵振减摩的气缸,期望通过高频振动减弱气缸摩擦的不确定性和负阻尼特性。考虑到阀控缸气动系统是一个强非线性系统,基于模型的非线性控制器是实现高精度运动轨迹跟踪控制的首选。滑模控制作为一种较常用的非线性控制算法,对建模误差、未建模动态和外部扰动有很强的鲁棒性,于是构建了一个基于模型的积分滑模控制器进行轨迹跟踪实验。实验结果表明:高频纵向振动不仅能减小气缸的摩擦力,还能有效提高气缸的运动轨迹跟踪精度;所设计基于模型的非线性滑模控制器是有效的,在跟踪频率为0.25、0.125Hz的正弦参考轨迹时,最大轨迹跟踪误差分别减少了19.61%、20.55%。采用高频振动减少摩擦的方式能够提高气缸运动控制精度,可满足对气缸高精度控制要求的场合。

气动伺服系统全局稳定快速收敛负载独立压力观测器

在气动伺服系统中实现高精度控制,通常需要采用要求全状态信息的基于模型的非线性控制算法。鉴于轻量化的设计要求或者出于成本的考虑,构建压力观测器来代替压力传感器。首先,采用李雅普诺夫稳定性理论来论证所设计的压力观测器的全局稳定性。其次,通过试验研究,选取满足试验要求的多变指数值。然后,任意设定偏离实际值的压力观测器初值,以证实该压力观测器收敛迅速且不断逼近真实值。另外,通过作用一个变刚度的载荷于系统,以证明该压力观测器是负载独立的。最后,试验表明采用所设计的压力观测器来实现气动系统的伺服控制是有效的、可行的。

电控气动式AMT系统分析建模

为了实现自动机械变速器(AMT)快速、光滑地气动换挡,分析了AMT系统动力传动情况,结合影响换挡品质的主要因素,确定了AMT气动伺服控制的关键阶段。建立AMT气动系统非线性模型,包括气缸输出刚度动态模型。引入改进的Lu Gre摩擦模型,并通过试验辨识其相关的动、静态参数。提出了一种离合器负载特性估计的新方法,从而构建电控气动式AMT系统完整的数学模型。

《液压与气压传动》课程中气压传动的教学探讨

在课程体系改革中,《液压与气压传动》课程的课时被不断压缩,气压传动部分的课时被大幅消减。因此,为了保证气压传动部分的教学质量,拟采用"先感性接触,后实践实验,再理论论证"的模式,通过激发学生们的兴趣,从而提高学习效率。

基于拉格朗日法的悬臂输送槽阻尼摆模型构建与验证

为准确分析联合收割机输送槽在作业时产生的不平衡摆动现象,该研究建立了基于液压缸支撑的联合收割机悬臂输送槽阻尼摆模型。首先对悬臂输送槽系统进行受力分析,并基于拉格朗日法建立其动力学微分方程。为进一步确定动力学微分方程中的参数,利用有限元法和模态分析法对液压缸刚度和阻尼进行参数标定;并进行田间试验获取输送槽所受外界激励。利用二次积分与快速傅里叶变换(fast fourier transform,FFT)处理田间试验采集到的加速度信号,得到悬臂输送槽振幅及振动的主频成分,为动力学微分方程的验证提供依据。最后求得悬臂输送槽角速度和摆角的表达式,将理论得到的初始状态下悬臂输送槽摆幅与田间试验实际摆幅进行对比。结果表明:稳定状态下,理论求解得到的同一水平位置两测点对应的摆幅分别约为0.0979、0.0957 mm,与试验实际摆幅误差约为1.11%和4.30%,验证了该联合收割机悬臂输送槽阻尼摆模型的准确性。研究结果可为长江中下游地区水稻联合收割机悬臂输送槽结构优化提供理论依据。

气动位置伺服系统运动轨迹跟踪控制

为实现气缸的高精度运动轨迹跟踪控制,针对具有控制阀死区的气动位置伺服系统,提出了一种含死区补偿的自适应鲁棒控制策略。控制器由在线最小二乘参数估计和基于反步法设计的非线性鲁棒控制器组成,前者用于减小模型中参数不确定性,后者用于抑制参数估计误差、未建模动态和干扰的影响。采用基于标准投影映射的参数自适应律,控制器的两个部分可以独立进行设计。此外,由于控制阀的死区得到了有效补偿,算法的可移植性好。实验表明,所设计的控制器能实现很高的轨迹跟踪控制精度,对系统参数变化和干扰具有较强的性能鲁棒性。

气动力伺服系统的自适应鲁棒控制

为实现具有输出力轨迹控制能力的气动力伺服系统,研究了气体通过比例方向控制阀阀口的流动以及气缸腔内气体的热力过程,建立系统的非线性模型.针对忽略温度动态而导致的较大的建模误差,构造了状态观测器来估计腔内气体温度,在此基础上设计了基于全阶热力学模型的气动力伺服系统的自适应鲁棒控制器.该控制器通过在线参数估计来减小模型中参数的不确定性,利用非线性鲁棒控制来抑制参数估计误差、未建模动态和干扰的影响,从而保证一定的瞬态性能和高的气缸输出力轨迹控制精度.实验表明:当系统跟踪幅值为100N,频率为0.5Hz的正弦期望轨迹时,平均输出力跟踪误差为1.4N、最大输出力跟踪误差为3.9N;基于全阶热力学模型进行控制器设计是必要的,自适应鲁棒控制器是有效的.

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.

基于对象行为自治的面向对象仿真技术研究

中介绍了以对象行为自治为基础的面向对象仿真技术的研究 ,在研究中给出了FMS中各种实体的类库定义以及状态逻辑图的描述 ,在此基础上 ,实现了图形建模 ,对象自治的仿真技术。这些成果已在一个原形仿真器中得到了验证。

阀控叶片气马达建模及恒转速控制研究

为提高叶片气马达的恒转速控制精度,考虑采用高速开关阀调节叶片气马达进气腔的压力和流量。通过分析阀控叶片气马达系统基本结构和工作原理,搭建了叶片气马达周期性、离散的腔室体积模型,对其进行傅里叶级数展开,得到叶片气马达周期性、连续的腔室体积模型。结合叶片气马达运动学模型、腔室流量数学模型以及高速开关阀阀口流量数学模型建立了阀控叶片气马达系统的数学模型。采用PID控制算法对该阀控叶片气马达系统进行恒转速控制研究,仿真与试验结果对比表明:该算法具有良好的转速控制精度,同时也表明了所建立模型的有效性和可行性。

基于OCL的本体模型校验方法

将集合关系理论与本体模型相结合,同时引入并扩展面向对象中的OCL(Object Constraint Language)语言,提出一种基于OCL的本体校验方法。该方法从大量本体模型中抽象出一个本体定义元模型ODM(Ontology Constraint Meta-model),该元模型基于集合关系理论,将本体模型划分为"实体相关元素"和"约束规则相关元素",并通过一系列OCL扩展函数来完成上述两种本体模型元素的形式化表示,以完成基于OCL的本体模型形式化校验。最后,通过宝钢信息共享平台车辆管理本体片段的本体模型校验实例,进一步讨论如何使用该模型校验方法实现本体模型的冲突检测和冲突消解。

电液双缸系统同步控制

由于强非线性和强耦合作用严重影响双缸同步系统的控制精度,同步误差加剧试件变形内力,具有较强的破坏能力,因此研究具有优良性能的同步控制算法具有重要的实践意义。建立考虑系统安装误差、测量误差、负载刚度和伺服阀零偏等因素在内的双液压缸同步控制系统数学模型;分析上述各误差因素对双缸同步控制精度的影响机理;提出了基于内力补偿和位置补偿的自由度控制策略,实现双液压缸高精度位置同步和出力的高度一致性;最后,运用MATLAB/Simulink软件对双缸自由度同步控制算法进行仿真分析,验证了控制策略的有效性。