基于能力矩阵的教学模式改革与实践——燕山大学液压伺服与比例控制系统国家级精品课程

在燕山大学液压伺服与比例控制系统国家级精品课程建设及教学体系改革过程中,从知识结构、实践能力、创新教育等方面出发,突破传统理论教学的观念,注重从基本到复杂的认知及创新型人才的培养理念,对该课程的教学模式进行了创新性改革。通过采用启发性课堂教学模式、研究性探讨教学模式和创新性实践教学模式相结合,同时构建了学生能力矩阵的评价体系,为学生科研精神和创新能力的培养奠定了基础,取得了较好的效果。

OBE教学模式及其在燕山大学液压与气压传动课程上的实践

针对液压与气压传动课程当前存在的问题,结合OBE工程教育模式与实际多年教学一线经验,研究课程三级项目的实施方案。经过该三级项目的施行,课程教学模式的转变,利用项目激发学生主动学习的兴趣,完善知识体系,综合运用学科知识,培养了学生的整体分析、设计和实践能力,并在团队协作上有所提高。

应用于留学生教育的“现代流体动力控制技术”的改革与实践

现代流体动力控制技术是一门理论性强、涵盖内容复杂、内容抽象的学科.正是由于流体动力控制专业具有这样的特点,使得许多学生在学习过程中存在困惑、感到枯燥.而在教学过程中,教学与国际化接轨水平不足.因此,为了提高学生的学习兴趣,改善教学质量,现代流体动力控制技术的教学改革是必不可少的.本文基于现代流体动力控制工程的教学现状,针对其存在的问题,提出了应用于留学生教育的教学改革方案.

液压驱动型六轴机械臂运动学研究

针对煤矿工作环境的复杂性和不确定性,提出一种新型6自由度液压驱动串联机械臂,使其具备结构轻量化、控制精准化、操作简易化等特点。首先,以6自由度串联机械臂为研究对象,建立其运动学模型,推导运动学正、逆解;其次,利用极值理论和蒙特卡洛算法求解末端夹爪的工作空间,证明所设计的串联机械臂有效性;最后,选取机械臂运行的典型轨迹,使用不同的插值策略对机械臂运行的角度、角速度和角加速度进行对比分析。结果表明:6自由度液压驱动机械臂末端夹爪在五次多项式插值策略下运行平稳且连续,没有出现突变现象,可减小整机运行的柔性冲击,提升整机的使用寿命。

磁液双悬浮轴承-单盘转子系统动力学行为研究

随着轴承系统高转速、高效率的发展需求,磁液双悬浮轴承转子与静子的装配间隙不断减小,导致碰摩事故经常发生。综合考虑转子偏心比、转速比、磁液双悬浮轴承与静子碰摩等多种耦合故障,建立磁液双悬浮轴承转子系统“间隙-碰摩”动力学方程,数值模拟转子运行规律。研究结果表明:随着偏心比的增加,转子由周期1运行演化出周期2、周期3、拟周期、混沌等多种运行规律;当偏心比ρ∈(0.28~0.4)及转速比w∈(1.2~1.7)时,转子位移波动剧烈,在此区域内转子极易发生分岔甚至混沌,且在碰摩区间内,转速比在1.5、1.67附近时,转子轴承处与转盘处碰撞力分别出现最大值。

非对称液压缸位移伺服系统的复合控制策略与试验研究

非对称液压缸的位移伺服系统存在两腔作用面积不等、系统模型不确定等特点,给液压缸高精度位移跟踪控制造成了巨大的困难。对此,提出以速度前馈为主与位移反馈为辅的复合控制策略。设计一种新的以控制电流和阀口压差为自变量的伺服阀流量计算模型,并根据该模型设计液压测试回路,通过测试结果辨识模型中的参数。根据伺服阀流量模型与目标位移轨迹计算速度前馈控制量。基于PI控制求出位移误差反馈控制量。最后,将速度前馈和位移反馈控制量相叠加作为伺服阀的驱动电压。通过试验得出在复合控制策略下液压缸位移跟踪的最大误差与目标位移幅值之比为2.1%,相对PID控制跟踪误差明显减小。提出的控制策略为生产实际中非对称液压缸的位移跟踪控制提供了一种简单、有效的方法。

球面二自由度冗余驱动并联机器人系统动力学参数辨识及控制

以伺服电机驱动的球面2-DOF冗余驱动并联机器人为研究对象,首先,建立了机构惯性参数辨识模型,并规划了惯性参数辨识轨迹;其次,建立了机构运动副摩擦参数辨识模型和驱动系统的摩擦参数辨识模型,分别分析了二者的辨识原理,并规划了摩擦参数辨识轨迹;再次,通过辨识实验得到了机构惯性参数、机构转动副摩擦参数和驱动系统摩擦参数的辨识结果,利用辨识结果对原机构参数进行修正,获得了更为准确的机器人系统动力学模型,并通过轨迹测试实验,对辨识结果进行了验证;最后,制定了基于机器人系统动力学模型的前馈控制策略,与传统的机构运动学闭环控制策略进行实验对比,验证了该控制策略的可行性。

微流体驱动与控制系统的研究进展

随着微流控系统的应用越来越广泛,微米尺度和纳米尺度器件微通道内的流动逐渐成为了研究的热点。重点阐述了微流控系统的驱动元件——微泵、控制元件——微阀的研究现状,介绍了学者们研制的各种微泵、微阀的工作原理与结构特点,指出了微流体驱动控制系统泄漏、结构复杂、成本偏高等问题依然存在,并对微驱动控制的发展方向进行了展望。

Stewart平台多能域系统动力学全解建模与实验

围绕六自由度Stewart并联平台的多能域动力学建模展开研究。首先,采用旋量键合图建立了电动缸驱动Stewart平台机构本体动力学模型,采用传统键合图建立了伺服电动缸键合图模型,得到了该平台完整的机、电耦合的多能域系统动力学全局模型。其次,给定平台末端轨迹,对比Matlab理论计算、ADAMS软件仿真以及实验实测驱动力结果,验证了Stewart平台机构本体旋量键合图模型的正确性。最后,借助理论计算得到的驱动力,由平台系统多能域动力学全解模型进一步计算得到伺服电机电流,与通过实验得到的电机电流实测值对比,验证了该平台多能域系统动力学全解模型的正确性。为后续包含驱动单元惯性参数和摩擦参数在内的动力学参数辨识以及平台控制研究奠定了基础。

基于动力驱动微粒群算法的液压矫直机PID控制参数优化

为兼顾微粒群算法收敛速度与跳出局部解的能力,利用阶段性搜索方式将算法搜索过程分为前、后两个不同阶段。在算法的前期搜索阶段,当前微粒受个体最优微粒与全局最优微粒的引力作用,在算法的后期搜索阶段引入中值导向加速度,提出一种动力驱动微粒群算法。最后,针对液压矫直机PID控制的参数优化问题,考虑控制信号、上升时间和误差量的关系,建立液压矫直机PID控制参数优化模型,利用动力驱动微粒群算法优化得到更好的参数组合,实现PID控制参数优化。

多模型Stacking集成学习的旋转机械故障诊断方法

针对传统旋转机械故障诊断方法中单一机器学习模型出现的诊断精度低、泛化能力差且性能提升有限等问题,提出了通过Stacking框架异质集成多个机器学习模型对旋转机械进行故障诊断。首先利用小波包变换对旋转机械的原始振动信号进行特征提取;然后通过贝叶斯优化和网格搜索结合的方法调节各基学习器的超参数,采用DT、KNN、SVM及RF作为初级学习器,LR作为次级学习器构建Stacking异质集成学习模型;最后通过滚动轴承和液压泵故障模拟试验,将所提模型与单一模型、同质集成模型进行比较分析。试验结果表明,异质集成Stacking模型在不同旋转机械的故障诊断中均获得了最佳的整体诊断性能。异质集成是提高旋转机械故障诊断性能的有广阔应用前景的解决方案。

比例控制回路压力补偿分析

针对带压力补偿功能的比例控制回路中传统单级补偿阀弹簧可调性差引发流量控制方式单一的问题,研究一种基于变压差压力补偿原理的比例控制手段。以一种带新型变压差压力补偿单元的马达控制回路为研究对象,针对控制回路进行仿真,获取仿真环境下比例控制阀流量及压力的变化规律,揭示负载发生变化时,带变压差压力补偿单元的比例阀控制回路系统的抗干扰特性和调速机制。最后比对实验结果并对仿真模型的正确性进行验证。结果表明:研究的变压差压力补偿回路相比传统单级压力补偿回路性能更优,可通过调节压力补偿阀先导元件的设定值使比例控制回路拥有更大的流量调节范围。

工程机械用液压马达剩余寿命预测

为了进行工程机械用液压马达剩余寿命预测,基于容积效率、Wiener过程以及支持向量机回归,提出一种剩余寿命预测方法。开展液压马达全寿命试验,运用非线性支持向量机回归算法处理原始数据,基于极大似然估计法和贝叶斯更新策略建立Wiener过程模型,完成液压马达剩余寿命预测。结果表明:液压马达容积效率随冲击次数变化有明显下降趋势;非线性支持向量机回归在考虑退化数据随机性的基础上提高了规律性;基于Wiener过程的剩余寿命预测方法能够准确、可靠地预测液压马达的剩余服役寿命。

基于预瞄模型的农机路径跟踪预测控制方法

为了提高农机路径跟踪系统控制性能对作业速度变化的适应性,该研究提出一种基于预瞄运动学模型的快速预测控制方法。采用预瞄跟随理论建立预瞄航向误差模型,并将其作为输出方程与路径跟踪误差常规状态方程联立,构建预瞄运动学状态空间误差模型,进而运用模型预测控制算法与输入参数化衰减策略设计路径跟踪控制律。仿真试验结果表明,在不同作业速度下,预瞄模型预测控制器的直线路径跟踪横向误差均渐近趋于0,行驶曲线均无超调;当作业速度为1、3与5 m/s时,预瞄模型预测控制器的圆形路径跟踪横向最大绝对误差分别为8.52、10.42和10.82 cm,标准差分别为3.96、5.83和6.17 cm;当控制时域为10、30与60时,预瞄模型预测控制器的运算周期相对常规模型预测控制器分别减小7.5%、43.0%和48.5%;与常规模型预测控制相比,预瞄模型预测控制能够在确保路径跟踪系统控制精度的同时有效改善系统的动态性能和提高系统的实时性,使不同作业速度下的跟踪效果更加均衡。田间测试结果表明,在0.5~5 m/s作业速度范围内,预瞄模型预测控制器对作业速度变化具有较强的适应性,能够使农机快速平稳地跟踪参考路径并具有较高的控制精度,其直线路径跟踪的横向最大绝对误差均值小于5.5 cm、标准差均值小于2.5 cm,圆形路径跟踪的横向最大绝对误差均值小于15.5 cm、标准差均值小于8.5 cm,跟踪效果满足农机实际作业要求,适于复杂作业环境或高速作业场合。

生存进化阶段性搜索微粒群算法及其可靠性冗余分配优化应用

为高效解决含有异质冗余的多态系统(MSS)可靠性优化问题,并弥补微粒群优化(PSO)算法易早熟收敛的不足,从作用力方式和种群拓扑结构两方面对算法进行改进。改进PSO算法中单一的作用力方式,设置前后两个搜索阶段,对应两个搜索阶段分别构造平衡引斥力方式和双层引力(个体和全局最优解引力、中间适应度微粒引力)方式,提出阶段性搜索微粒群(SPSO)算法;利用生物个体“择友而交”和优胜劣汰的生存体系构建生存进化(SE)拓扑结构,以结构演化和算法进化并行方式将该拓扑结构融入SPSO算法,提出生存进化阶段性搜索微粒群(SPSO-SE)算法,进一步提升算法的优化性能;利用Benchmark函数对所提算法与PSO的改进算法进行测试对比,结果表明,所提SPSO-SE算法具有更好的寻优能力。采用SPSO-SE算法对串-并联和桥式结构的多态系统的可靠性冗余分配问题进行优化,得到的系统结构费用更低、可靠度更高。

基于分形理论的静压支承滑靴系统摩擦自适应特性分析

静压支承滑靴副比一般的滑动摩擦副具有更好的摩擦自适应特性,对滑靴的早期磨损有一定的修复效果,但其摩擦自适应机理目前尚不明确。为此,基于分形理论,采用分形维数、尺度系数等分形参数描述滑靴表面形貌,对摩擦自适应过程进行理论分析,开展磨损试验并以分时段更换试件的试验方法观察分形参数的变化情况,得到分形参数对摩擦学特性的影响规律,揭示滑靴摩擦自适应机理。结果表明,滑靴副在发生早期磨损后,分形维数呈增大-减小-再增大-再减小的变化过程,尺度系数和摩擦系数呈减小-增大-再减小-再增大的变化过程,滑靴在早期磨损阶段呈现出显著的摩擦自适应特性,其表面性能表现出劣化-修复-再劣化-再修复的变化特征。

电液3-UPS/S并联稳定平台参数振动特性分析

针对电液3-UPS/S并联稳定平台驱动液压缸的压力脉动所产生的参数振动,建立了稳定平台的参数振动方程并利用多尺度法求解了主共振响应与组合共振响应的一次近似解;分析了主共振与组合共振响应特性以及振动幅值在初始工作空间内的变化规律,最后采用四阶龙格库塔法与模态试验对参数振动模型进行验证。结果表明:数值解与理论解之间的最大误差为4.20%,固有频率理论值与试验值之间的最大误差为4.66%,可验证参数振动模型的正确性。

基于改进Hilbert-Huang变换的管路环向裂纹故障诊断研究

在制造、加工、装配以及服役过程中,航空液压管路可能存在平面型缺陷。在适航载荷作用下,这些缺陷会萌生裂纹并发生扩展,最终导致管路破裂和油液泄漏。为了在管路产生微裂纹时对其进行故障诊断,采用了自行搭建的航空液压管路模态试验平台和测控系统,对存在环向裂纹航空液压管路的振动信号进行了采集和预处理。而在对管路振动信号进行分解时,由于经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)算法存在模态混叠问题难以获得准确的本征模态函数(Intrinsic Mode Functions,IMF)。为提高信号处理精度,提出一种基于自适应噪声完备经验模态分解(Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise,CEEMDAN)和Hilbert变换理论相结合的改进Hilbert-Huang变换方法对航空液压管路环向裂纹进行故障诊断。研究结果表明,该方法能够更准确地诊断航空液压管路的环向裂纹故障。

复杂流场下对焊燃油管路流固耦合特性分析

飞机燃油管路内部流体流动特性复杂,油液与管壁相互作用产生的流固耦合作用严重影响管路安全,深入研究流固耦合特性对减少管路振动和磨损具有重要意义。通过金相检测和微拉伸试验获得焊接接头区域具体尺寸和力学性能参数,建立带有90°弯管的对焊燃油管路流固耦合模型。采用Realizable k-ε湍流模型开展研究,综合分析在恒速流场下不同入口流速对流体域流动特性及固体域应力响应规律的影响和在脉动流场下不同区域等效应力的响应结果。结果表明:恒速流场下,出口弯管段最大等效应力受流速影响显著;脉动流场下,焊接接头处的最大等效应力出现在焊缝区且应力水平较为集中。可为改善飞机燃油管路的构型设计和系统性能提供重要参考。

高速斜撑超越离合器楔合动态响应研究

针对斜撑式超越离合器高速楔合容易产生故障的实际情况,对其楔合动态过程进行研究。工作过程中,斜撑式超越离合器内部楔块之间、楔块与内外环间以及各部件同保持架间存在碰撞。首先基于Hertz接触理论,求解了碰撞刚度,为明确各参数对高速斜撑超越离合器动态响应的影响程度,建立了包括楔合延迟时间、冲击力矩、最大转速差等在内的评价指标。同时,将高速斜撑超越离合器的楔合动态过程进行划分,以研究几何参数对不同响应阶段的影响。最后,开展了楔块与内环的摩擦条件、弹簧力、碰撞刚度、阻尼和负载等对高速斜撑超越离合器楔合动态响应的研究。结果表明,不同参数对所定义的评价指标的影响程度不同,极端情况下可导致楔合失败。该研究可为工程实践提供一定的理论参考和指导。