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%。

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。

融合改进Sine混沌映射的新型粒子群优化算法

为了应对传统粒子群算法(PSO)存在的初始位置不均匀、易达到局部最优、搜索精度不高等问题,提出了一种基于改进Sine混沌映射的新型PSO算法。采用一种改进的Sine混沌映射技术代替传统的伪随机数方法生成初始粒子种群,以丰富种群的多样性。在原始基本位置更新公式的基础上增加两种新的位置更新机制,并分别引入一个高斯变异算子,以实现算法勘探性能和开发性能之间的动态平衡,以及在迭代过程中使粒子有效跳出局部最优。在由7个单峰函数、6个多峰函数和10个固定维函数组成的基准测试函数和3个带约束经典工程优化设计问题上对所提出算法开展仿真实验,并与其他几种流行的PSO变体进行对比。仿真结果表明:与其他PSO变体相比,基于改进Sine混沌映射的新型PSO算法具有更快的收敛速度和更高的寻优精度,对于基准测试函数的寻优结果有20个排名第一,约为总测试函数的87%;该算法在压力容器和工字梁设计优化中,综合性能排在第一位,应可用于解决一些实际工程优化问题。

基于STM32的比例阀控气缸位置伺服控制器

传统的工控机控制系统具有成本高、功耗高、体积大、操作复杂等特点,针对这些问题,提出了一种基于嵌入式技术的比例方向阀控气缸位置伺服控制方法。首先,分析了气动位置伺服控制器的实际需求,设计了控制器的最小系统、主控板、模数扩展板和数模扩展板的硬件电路;然后,在集成开发环境Keil MDK下,使用C语言进行了嵌入式软件编写,在跨平台嵌入式软件编程环境Qt下,使用Visual C++语言进行了上位机软件编写;最后,为了验证气动位置伺服控制器的有效性,搭建了比例方向阀控气缸位置伺服控制实验平台,利用所开发的嵌入式气动位置伺服控制器,分别进行了气缸的定位控制和轨迹跟踪实验。实验结果表明:该伺服控制器能够简单、有效地实现气缸位置控制的目的,在跟踪频率为0.5 Hz的参考轨迹时,轨迹跟踪最大误差约为4.6 mm;在跟踪频率为0.25 Hz的参考轨迹时,轨迹跟踪最大误差约为3.1 mm。研究结果表明:该位置伺服控制方法具有良好的控制性能,能够适用于对控制精度要求不是特别苛刻的场合。

新型纵振减摩气缸活塞密封槽选取及摩擦特性测试

传统气缸因复杂的摩擦特性难以实现高精度控制,基于振动减摩原理,开发了一款新型高频纵振减摩气缸。在保证密封性能的前提下,凭经验在活塞上设计了6种不同槽口夹角和槽宽的密封槽,并根据实际PID运动轨迹跟踪控制的精度情况,选取其中最优的密封槽。通过模态分析、谐响应分析和阻抗测试,确定了所开发新型气缸的一阶纵振共振频率为6328 Hz。摩擦力测试结果表明:高频振动确实可以减小气缸的摩擦,且激励电压越大减摩效果越好;最大静摩擦力最大减少了约64.46%,动摩擦力最大减少了约63.62%。

基于变分信号分解的脉冲多普勒雷达抗扫频式干扰方法

针对脉冲多普勒(Pulse Doppler,PD)雷达遭受扫频式干扰时,接收机被干扰信号饱和导致的雷达虚警或漏警问题,分析扫频式干扰作用下PD雷达中频信号特征,提出基于变分信号分解的PD雷达抗扫频式干扰方法。利用目标回波时域稀疏性及干扰信号的频域窄带特性,通过极大极小惩罚项和2阶变分惩罚项分别约束中频信号中的目标回波脉冲串分量和干扰分量,设计了基于交替方向乘子法的迭代算法求解优化问题各分量。保留目标回波脉冲串分量,滤除扫频中频分量,从而抑制干扰对雷达的影响,并通过仿真和实测数据验证方法的有效性。研究结果表明:所提抗干扰方法在信干比-20 dB扫频式干扰作用下能够有效抑制扫频式干扰对PD雷达的影响,显著提高PD雷达的抗干扰性能。

阵列压电叠堆驱动高速开关阀的设计与仿真分析

针对目前高速开关阀采用PWM控制信号产生诸如高频流量脉动、振动与噪声等问题,基于并联液阻和二级制编码技术设计一种阵列压电叠堆驱动的高速开关阀。阵列压电叠堆的轴向长度呈二进制编码排列,故采用PCM(脉码调制)信号来控制每个压电叠堆的工作状态进而实现阀口开度的离散化调节。其次,基于MATLAB/Simulink建立高速开关阀数学模型,并通过仿真揭示了流量瞬态不确定产生机理。最后,提出一种基于模型的PCM编码控制策略,阶跃跟踪结果表明:流量跟踪无超调,且稳态误差在0.015 L/min以内;正弦跟踪结果表明:当阵列压电叠堆的开启和关闭动态特性不对称时,最大误差增加至0.61 L/min,但平均误差和误差标准差的变化范围仅在0.004 L/min和0.013 L/min以内。

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.

多源激励对联合收获机螺栓连接处振动特性试验研究

联合收获机各部件通过螺栓及其连接件相连,在工作过程中互相影响、互为激励源并且冲击、磨损和不平衡碰撞较为严重。研究了螺栓连接处松动程度及主要振动,提取了工作过程中联合收获机主要工作部件螺栓及连接件处响应时域特征,分析了螺栓及其连接件主频及倍频响应。结果表明,在正常工作过程中振动筛边缘螺栓各时域特征数值均处于极高水平,并且频率成分也较为复杂。其余测点频率集中主频34.7195 Hz及倍频无明显边频带产生,但振动筛螺栓除本身主频2.302 Hz及其高倍频外,不受发动机转频及其倍频影响。可以得出,振动筛螺栓连接处受载最严重与复杂,为振动筛处螺栓及连接件防松和失效在线监测奠定了基础。

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。

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。

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。

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。

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.