微小流量旋转直驱伺服阀传控特性分析与优化

针对无人机、战术弹、支线民航等小型飞行器航空发动机燃油计量系统与推力矢量系统微小流量的伺服控制需求,就旋转直驱伺服阀偏心球副传动接口与非全周节流阀口等关键结构进行了尺寸约束设计分析,并就节流阀口宽度、球副偏心距以及驱动电机转动惯量等重要参数进行了优化分析,给出了伺服阀结构设计的优化区间。在此基础上,研究提出了电机转角与电流双闭环控制方法,幅频响应实测结果与理论分析较为一致,200 Hz以上高频响应满足实际需求,且双闭环控制方法大幅降低了伺服阀响应超调并提升了稳定性。

基于反步法的下肢外骨骼机器人控制研究

针对下肢外骨骼预定轨迹的控制问题,在构建了二自由度机械腿的运动学和动力学模型的基础上,提出了一种非对称液压缸负载力、伸缩量与外骨骼转动扭矩、运动角度的转化关系,采用反步法控制下肢外骨骼系统的运动轨迹。首先,采用D-H法建立了二自由度下肢外骨骼系统的运动学模型,研究了外骨骼末端执行器关节速度的变化关系,并利用拉格朗日动力学方程推导了外骨骼动力学的数学模型;然后,使用了液压缸负载力控制为机械腿运动提供了相应的扭矩,进而控制了下肢外骨骼的运动姿态;其次,针对下肢外骨骼运动时的高精度要求,利用反步法控制理论,建立了阀控非对称缸系统,结合下肢外骨骼动力学系统整体的状态空间方程,利用下肢外骨骼液压伺服系统控制了下肢外骨骼进行预定轨迹运动;最后,对AMESim软件与Visual Studio软件进行了联合仿真,对比分析了PID控制与反步法控制的精度问题。研究结果表明:针对下肢外骨骼预定轨迹控制,反步法控制误差最大值为2°,对比传统PID控制,误差降低了67%;设计的反步法控制器对于下肢外骨骼具有良好的控制精度。

基于动态理论模型的电液伺服加载前馈补偿复合控制系统

针对一般电液伺服系统存在的非预期负载扰动和非线性干扰等问题,为了提高系统的自适应能力和动态响应的品质,减小系统跟踪和输出响应的误差,提出了一种基于动态理论模型的电液伺服加载前馈补偿复合控制方法。首先,阐释了电液伺服试验台的结构组成及其数学模型,分析了系统力矩控制和位置控制的结构关系;然后,论证了自适应前馈补偿复合控制的伺服原理,阐述了以调速理论模型和实际模型的误差函数作为调速依据的前馈补偿和复合控制的原理和方法;最后,进行了系统仿真,同时为了验证基于动态理论模型的自适应前馈补偿复合控制策略的合理性和有效性,对伺服系统进行了加载试验。研究结果表明:采用该复合控制策略可以精确算出对伺服马达进行转速补偿的基准值和调整参数,系统动态响应速度比采用传统闭环控制算法提高了8%以上;系统控制器自适应能力和抗扰动性能也明显优于采用传统PI闭环控制及模糊PI闭环控制算法的系统;通过对比分析0.2 Hz和0.5 Hz的正弦响应曲线可知,该系统的位置跟踪曲线性能最优,控制精度最高,实际输出值的误差也最小。

基于IPSO优化模糊PID的液压变速器转速控制

为了提高液压变速器转速跟踪能力,开发了一种改进粒子群(IPSO)优化模糊PID控制算法。利用Matlab/Simulink分析阶跃负载信号时响应性能差异性,在HMCVT段范围内完成无级调速的控制效果。研究结果表明:负载影响下,系统扰动幅值快速降低55rad/min。受系统闭环反馈影响,在0.1s内重新跟踪输入参数,可以使HMCVT泵控系统1s时间完成马达转速跟踪的功能。本次开发的HMCVT泵控系统可以满足马达转速的准确跟踪效果,具备低超调量、高鲁棒性等优点。

压缩感知在斜轴式马达声强成像中的应用研究

斜轴式轴向柱塞马达内部噪声源距离较近,如马达配流盘进、出油口间的距离为38 mm,且马达噪声源存在同频及倍频现象。斜轴式马达内部密集复杂的噪声源,导致频谱分析方法难以准确识别同频及倍频信号,传统声强测量的最高分辨率为50 mm,无法满足马达内部噪声源的辨识精度要求。针对传统方法难以准确辨识马达噪声源的问题,文中提出了一种基于压缩感知的声强测量方法,将压缩感知理论运用于声强云图高精度重构中,获取马达高分辨率的声强重构图像。首先,通过对斜轴式马达进行噪声辐射仿真分析,获取其外表面声场特性;然后,以马达外表面声强云图为先验信息,设计应用于马达声场的压缩感知框架,获取高精度重构马达声强云图;最后,通过马达传统声强测量与压缩感知声强测量的对比实验验证压缩感知理论对于提高马达噪声源辨识精度的可行性。结果表明,基于压缩感知的声强测量方法将马达噪声源辨识尺度从原来的70 mm提升至30 mm,提高了马达噪声源的辨识精度,实现了马达噪声源的高精度定位。

煤液化调节阀流场演变特性的测试与分析

利用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,简称PIV)和涡量分析原理对调节阀不同工况下的流场信息进行测量,研究了进口压力对液压调节阀速度场、涡量场及湍动能的影响。结果表明:调节阀节流口处有对冲射流,其在阀芯头部下游汇合后形成向下游的整体喷射;节流口下游的油液轴向速度先减小后增大,在喉部末尾处附近趋于稳定;在靠近壁面区域油液径向流动速度都较低,在流道中心区域流动速度较高;阀芯头部和下游流道存在由速度梯度引起的介质回流旋涡,高涡量区域主要分布在阀芯头部和壁面处,强的正涡与负涡呈2条斜形宽带分布;阀芯头部为高涡量区且具有贴壁特征,壁面附近高涡量区向下游延展;随着调节阀进口压力的增大,阀口流量、流场高速分布区域、旋涡的强度和尺度以及湍动能均随之增大。

考虑电磁铁线圈构型的高速开关阀动态特性分析

为改善高速开关阀的响应特性,以电磁铁线圈构型为切入点,对比研究了线圈构型对高速开关阀动态特性的影响规律。在建立高速开关阀数学模型以及理论分析线圈构型变化对响应时间影响的基础上,采用电磁仿真软件ANSYS Electronics,构建了高速开关阀二维瞬态仿真模型,分析了单一、叠加式、嵌套式3种线圈构型对电磁铁吸合以及高速开关阀启、闭两个动态过程的影响。仿真结果表明:在不改变其他结构参数与电气参数的情况下,与单一线圈构型相比,叠加与嵌套两种并联线圈构型能够有效缩短电磁铁空载吸合时间,减幅分别为35.1%、34.7%;叠加式线圈构型下高速开关阀的开启延迟时间缩减了4.79 ms,减幅达55.4%;嵌套式线圈构型下高速开关阀的开启延迟时间缩减了4.77 ms,减幅达55.2%。综合响应特性与能耗特性参数来看,采用叠加式线圈构型的高速开关阀具有相对更优的动态特性。该研究可为高速开关阀电磁铁的设计提供参考。

闭链级混联式液压机械臂运动控制方法

针对含有多个闭链结构的液压机械臂非线性强、控制精度低等特点,采用了虚拟分解控制方法消除了系统非线性引入的误差,以提高其控制精度。首先,根据驱动方式不同将整个机械臂分解为四类结构,针对每一类结构再将其虚拟分割成每一子系统,对每个子系统分别建立了刚体动力学模型、液压执行器流体动力学模型;然后,基于刚体动力学模型和流体动力学模型分别设计了刚性连杆控制律和液压执行器控制律,其前馈控制量和误差反馈量是高精度控制的基础;最后,使用Simulink的Simscape模块建立了该机械臂的多物理域混合模型,进行了轨迹跟踪效果验证,同时引入了控制性能指标,在不同机械臂的液压执行器空间进行了计算。研究结果表明:相比于比例-积分-微分控制器,基于虚拟分解控制理论搭建的控制器控制精度提升较大,单关节平均绝对误差最大降低了88.9%,且控制效果与其他较先进液压控制器的性能指标相近。针对含复杂闭链结构的混联式液压机械臂,采用虚拟分解控制理论能有效提升控制精度。

外啮合液压齿轮马达输出特性的统一简约式

为正确认识任意侧隙大小/偏置卸荷槽不同类型下齿轮马达的输出特性,基于啮合齿廓/输出特性不同的啮合线区间,以衡量侧隙大小的类型值和双卸荷槽对称线与齿轮副中心线的偏置值为变量,构建出转速/转矩等输出特性的统一简约式。结果表明,输出转速/转矩曲线可以由啮合齿廓的啮合转速/转矩曲线,通过输出特性啮合线区间的截取而直接得到;对称卸荷槽类型下的均值转速最小,均值转矩最大,转速/转矩的脉动系数最小;小侧隙较大的卸荷槽偏置范围和调速/调矩范围更大;小侧隙和对称卸荷槽类型的均值转速更小,均值转矩更大,转速/转矩的脉动系数更小;马达转矩脉动式与齿轮泵流量脉动式完全一致;转矩脉动系数略小于转速脉动系数,大齿数情况下可近似为相等;追求高转速时,应选用大侧隙和卸荷槽极限偏置的类型组合;追求大转矩或高输出脉动质量时,应选用小侧隙和对称卸荷槽的类型组合等。得出的输出特性的获取方法更简单、原理更清晰、形式更简洁、结果更可靠。

气液固多相流条件下球阀冲刷腐蚀磨损特性研究

以多相流输送球阀为研究对象,对其颗粒冲刷磨损和电化学腐蚀开展数值计算研究。针对稀硫酸携带固体颗粒冲刷腐蚀球阀导致其失效的问题,采用欧拉-拉格朗日流体计算方法,运用Fluent软件对气固液三相流球阀冲刷腐蚀磨损进行数值模拟计算,揭示球阀冲刷腐蚀磨损失效机制,并将模拟计算结果与现有文献的实验数据以及工程现场冲蚀球阀对比,验证数值计算结果的准确性。分析结果表明:球阀内部流速为2~9 m/s,阀芯最大冲蚀量为2.85×10^(-3)kg/(m^(2)·s),最大腐蚀率为2.28×10^(-7)kmol/(m^(2)·s),阀内冲蚀磨损随开度的增大而减小,气相对球阀冲蚀影响微小,但阀芯内复杂的涡流减缓阀芯内侧壁面腐蚀率。颗粒的冲蚀与电化学腐蚀的交互作用会加快球阀表面镀层失效。

泵/马达困油现象充分缓解的等排量大模数方法

为了充分缓解外啮合齿轮泵/马达困油现象,在确保产品输出能力不变的等排量前提下,分析模数对困油腔内的负荷流量、泄漏流量和卸荷流量的影响,提出了一种等排量大模数的设计方法,并基于这3种流量的瞬时平衡和同齿形参数、不同模数下卸荷面积的演绎计算,计算出困油压力并由此判断出困油现象的缓解程度。结果表明,对于给定的齿轮副和工况条件,等排量下的齿宽系数反比例于模数的3次方,模数越大,困油现象越趋于缓解,且径向力越小,但齿宽系数越小;同齿形参数、不同模数下的卸荷面积等于模数的平方乘基准模数为1下的卸荷面积,从而为同齿形参数、不同模数下的卸荷面积计算,提供了极大方便;卸荷槽外通的进出口压力互为颠倒,导致泵较马达的困油现象更严重,但等排量小模数马达同样也会出现较为严重的困油现象。得出了选择最大化/较大的模数应为泵/马达的设计准则的重要结论。

由一起液压缸漏油故障谈节流调速回路的应用

通过对液压缸的工况和控制原理进行分析,发现造成液压缸漏油的原因是叠加式节流阀使用不当。结合液压系统控制原理和现场升降挡板控制阀台的实际结构进行改造,在回路上增加一个叠加式减压阀,减小液压缸背压,降低无杆腔压力。改造完成后,升降挡板动作平稳,再未出现漏油现象。

基于CNN-SE-LSTM和多传感器数据的轴向柱塞泵故障诊断

轴向柱塞泵是液压系统中的核心部件,其状态监测和故障诊断是保证液压系统安全可靠运行的关键。然而,由于轴向柱塞泵结构复杂,工作环境恶劣,采集的信号中往往夹杂着强烈的噪声,利用单传感器数据监测其健康状态往往达不到预期效果。为此,提出一种基于通道注意力机制的卷积神经网络-长短期记忆网络(CNN-LSTM)和多传感器数据(MSD)的轴向柱塞泵故障诊断方法。改进CNN中卷积核的尺寸来优化CNN-LSTM结构参数,提高模型抗噪性能,并引入通道注意力机制模块SENet提升模型的表征能力,然后将2个不同位置的振动传感器数据进行数据端通道融合作为输入,最后将融合后的数据输入改进CNN-SE-LSTM中并通过Softmax层输出诊断结果。实验结果表明:在不添加噪声的情况下,所提方法故障诊断准确率达100%,具有较好的准确性和快速性;在不同信噪比的噪声干扰下,所提方法相比多层感知器(MLP)、首层宽卷积核深度卷积神经网络(WDCNN)等模型具有更高的故障诊断准确率,鲁棒性更好。

基于Kriging插值代理模型的轴流式止回阀多目标优化

基于Kriging插值代理模型,对轴流式止回阀的各项性能进行综合优化,具体的优化目标为:降低正向流阻;减小阀芯振动;提升止回性能。通过试验设计方案找到影响轴流式止回阀正向流阻的主要结构参数因素,并以其作为优化对象,通过Kriging插值法拟合主要结构参数对应的性能样本点,在保证拟合精度的情况下,使用NSGA-II遗传算法同时对3个主要结构参数进行多目标优化,得到了三目标Pareto前沿,经过权衡不同因素对性能指标的影响大小,最终得到了综合性能最优的结构参数为:阀瓣丰满度系数α_(1)=2.199,阀芯长度L=386.322 mm,阀芯半径R=113.997 mm。其对应的止回阀性能为:正向出口流量Q=161.839 kg/s,正向出口流速v=3.30235 m/s,止回阀进口压力p=97632.2287 Pa。相比优化之前,阀门正向流阻减小了1.2%,阀芯振动降低了0.24%,止回性能提升了2.3%。

高速轴向柱塞泵空化机制研究与优化

为降低高速轴向柱塞的空化程度,以某型号轴向柱塞泵为例,利用Pumplinx软件搭建CFD仿真模型,探究不同转速与不同吸油口压力对泵空化程度的影响,并结合MATLAB软件对离散的仿真结果进行拟合,得到转速、吸油口压力与吸油效率的变化规律曲线。研究结果表明:当柱塞腔内气体体积达到12%以上,柱塞泵吸油效率下降甚至无法吸油;通过提高吸油口压力可以有效降低柱塞腔的空化程度,提高柱塞泵吸油效率;为了保证泵在5000~6000 r/min下能够正常吸油且有较高的吸油效率,可以使吸油口压力值介于0.25~0.30 MPa之间,此时柱塞腔空化程度和吸油效率均达到相对稳定。

基于自适应反步法的直驱式泵控液压系统控制策略

在闭式泵控伺服系统位置输出控制过程中,会出现非对称缸建模难、参数不确定性和控制算法调试困难等问题,为此,提出了一种自适应反步法控制策略(控制器),并采用半实物仿真平台对其可行性进行了验证。首先,推导了考虑单向阀和溢流阀的直驱式泵控非对称缸液压系统的数学模型;其次,采取引入向量的方式,将数学模型变成了严格反馈形式,以此设计了新的自适应反步法控制器,解决了参数不确定问题;最后,在Linux+Preempt-RT半实物仿真平台下,完成了直驱式泵控非对称缸位置系统自适应反步法控制的阶跃信号、正弦信号和加入时变负载的正弦信号试验,并将其控制结果与传统PID控制结果进行了对比分析。研究结果表明:采用自适应反步法的控制器的稳态精度可以达到±3.98 mm,相比PID的控制精度提高了53.6%;同时,在系统位置控制过程中,采用参数自适应律对系统的不确定性参数进行实时调整估计,可以呈现出良好的自适应动态逼近过程。该自适应反步法控制策略具有良好的跟踪性能和鲁棒性。

基于符号键合图的电静压伺服机构多故障诊断研究

针对电静压伺服机构(EHA)服役时存在多种故障且难以诊断的问题,提出了一种考虑参数贡献度的符号键合图(SBG)故障诊断方法。首先,根据EHA工作原理与键合图理论构建了键合图模型,设定了系统参数数值及分布标准差,再利用键合图模型推导了其解析冗余式(ARR),并构建了故障特征矩阵,将键合图模型转换为符号键合图模型,根据符号键合图元件之间的因果关系和一致性路径,推理出了EHA可能故障集;然后,定义并计算了EHA系统参数贡献度,筛选出了高贡献度系统参数,对可能故障集中难以引起解析冗余式残差数据变化的低贡献度系统参数进行了剔除,缩小了可能的故障参数范围;最后,利用键合图仿真软件20-sim,通过改变EHA中Q轴电阻与电机磁通链的数值,进行了多故障仿真实验,对所提多故障诊断方法进行了验证。研究结果表明:当EHA发生多故障时,将剔除低贡献度系统参数的可能故障集同传感器数据、解析冗余式残差数据进行结合,能准确诊断出预置的两个高贡献度故障参数,相比于常规SBG故障诊断的可能故障集,能更准确地锁定EHA系统故障参数。

电液伺服双缸同步举升系统反步法控制研究

针对电液伺服双缸同步系统的控制复杂、非线性强等问题,提出了一种反步控制算法,利用半实物仿真技术完成电液伺服同步系统的同步精度和反步法控制器的仿真验证工作。首先,对电液伺服双缸同步系统数学模型进行了研究,根据阀控缸基本方程和横梁动力学方程,推导了电液伺服同步系统非线性状态空间方程,利用坐标变换,将方程整理成矩阵形式以及严格反馈形式,满足了反步法控制律的应用条件;然后,根据李雅普诺夫稳定性理论和反步法控制原理,推导了电液伺服双缸同步系统的反步法控制律,编写了C语言程序设计反步法控制器;最后,由工控机和研华USB-4704数据采集卡组成的半实物仿真平台,完成了电液伺服双缸同步系统反步法控制策略的试验。研究结果表明:反步法控制电液伺服双缸同步控制系统,相比于常规PID控制,液压缸实际位移与期望位移误差更小,单液压缸的位移跟踪误差从6.5 mm降低到2.3 mm,减少64.6%,双缸同步系统的最大同步误差从0.25 mm降低到0.21 mm,减少了16%,设计的反步法控制器使双缸同步控制系统的控制精度和系统稳定性得到明显提升。

基于CFD的离心泵水力性能优化设计

针对传统离心泵在工作时水力性能较差的问题,采用计算流体动力学技术对IS80-50-250型清水泵蜗壳结构参数进行优化设计。选取蜗壳基圆直径、蜗壳进口宽度、蜗壳第八断面半径和隔舌安放角4个结构参数制定正交试验方案。采用Pumplinx软件对各组方案进行数值模拟,获得离心泵内部流场分布规律。模拟结果表明,相较于原型泵,在额定转速下优化泵的出口压力提高了3.27%,蒸汽质量分数降低了10.47%,进一步提升了离心泵的水力性能。为验证优化方案的准确性,搭建离心泵外特性试验测试台,得到了在不同工况下原型泵和优化泵的外特性曲线。试验结果表明,在额定工况下,离心泵扬程和效率分别提高了4.43%和4.44%,进一步验证了正交试验优化方案的准确性和可行性,为下一步高性能离心泵设计提供了技术依据。

基于AMESim的液压管道振动分析

液压油在管道内流动时,由于管道的形状、尺寸和流速等因素的影响,会出现不稳定的波动现象。当液压油受到外界作用时会使冲击加大,并导致管道和元件的振动。在液控换向阀中增加节流阀限制阀主阀芯的换向速度以缓解换向冲击对系统的不利影响来降低或消除管道和元件的振动。利用AMESim软件的仿真功能进行模拟实验,能够避免复杂的流体计算和大量实验,方便找出最优的节流阀开度参数,降低设备调试难度。