变阻抗高温超导限流器的限流特性研究

超导限流器在系统短路限流中具有良好的应用前景,但是电阻型超导限流器在深度限流后难以快速恢复,针对此问题本文提出了交流系统中的一种基于组合超导线圈的变阻抗超导限流器,能在增大限流率的同时显著缩短主通流支路超导带材的通流时间。基于单根超导带材的实验结果在Simulink中依次建立了单根超导带材和变阻抗超导限流器的R-Q仿真模型,仿真分析了变阻抗超导限流器的限流性能和恢复性能,并通过实验验证了仿真结果的准确性,最后在10 kV交流电力系统中分析了变阻抗超导限流器的限流效果。结果显示,本方案超导限流器的主通流和主限流线圈带材根数之比为2∶1时,限流阻抗能增大到常规超导限流器的3倍以上,能有效提高电力系统的稳定性。

基于扩张状态观测器的快速反射镜滑模控制

快速反射镜需要具备快速的动态响应以及抗干扰能力。针对快速反射镜系统在工作环境中,因自身运动以及外界干扰等因素所引起的不确定性干扰问题,本文在对快速反射镜系统进行分析与数学建模的基础上,提出一种基于扩张状态观测器的改进滑模控制器,利用扩张状态观测器观测出未知扰动并直接补偿给控制器,在保证跟踪误差在期望精度范围的同时,有效减少了抖振,便于工程实现。通过仿真实验证明:相较于传统滑模控制器,采用基于扩张状态观测器的改进滑模控制器,上升时间缩短了50.4%,调节时间上缩短了39.1%,跟踪精度提高了30.5%,满足了快速反射镜的工作要求,提高了动态性能。

快速反射镜的系统辨识与回路成形H∞鲁棒控制

音圈式快速反射镜(Voice Coil Actuator-Fast Steering Mirror,VCA-FSM)是星间激光通信中的重要伺服机构,其基于音圈电机进行驱动,FSM内部的柔性支撑结构以及轴间相对运动使系统存在复杂耦合特性,降低了系统的控制性能。对于该问题,本文提出了一种基于模型辨识的双轴回路成形H∞解耦控制方法。首先,基于激励与响应数据求解系统脉冲响应序列,构造Hankel矩阵进行系统辨识;其次,考虑系统的耦合特性,基于标称模型进行双轴回路成形H∞鲁棒控制器的设计;最后,基于VCA-FSM伺服控制实验平台,开展方波与正弦扫频实验。实验结果表明:相较于LQG与LQR控制,本文所提出的双轴回路成形H∞鲁棒控制使系统X,Y轴跟踪闭环带宽分别最大提升了54.3 Hz和54.8 Hz,显著降低了系统的耦合特性。本文所提出的控制方法充分提高了VCA-FSM伺服系统的性能,实现了双轴VCA-FSM的高性能解耦控制。

液态金属快堆螺旋管蒸汽发生器一、二次侧耦合传热数值研究

螺旋管蒸汽发生器是液态金属快堆中能量传递的核心设备,其运行的稳定性、安全性对核电站的运行有至关重要的影响。为此,本文构建了液态金属快堆螺旋管蒸汽发生器一次侧、二次侧耦合传热的三维数值模型,分别基于经济合作与发展组织核能署(The Organisation for Economic Co-operation and Development,OECD/NEA)物性手册和美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)数据库建立液态金属和水-水蒸气变物性计算关联式,采用Lee相变模型计算二次侧水-水蒸气蒸发过程中两相间的质量传递。基于实验数据,分别对本文模型一次侧传热以及二次侧传热的计算可靠性进行了验证。最后以铅铋快堆为例,研究了不同一次侧进口参数下蒸汽发生器一、二次侧之间的耦合传热特性,并与传统水冷堆进行了对比。结果表明:在同等条件下,相比于传统水冷堆,一次侧采用铅铋液态金属时,一、二次侧之间的壁面热流密度明显提升,热流密度峰值可达1439.97 kW·m^(-2),比水冷堆相应数值提升5~6倍,这导致二次侧管内气相蒸发过程明显加剧,体积含气率急剧上升;同时,一、二次侧之间的沿程热流密度分布更加不均匀,沿程热流密度分布相对偏差值比水冷堆相应数值增大3~4倍。随着一次侧进口铅铋温度从350℃增大到450℃,一、二次侧之间的壁面热流密度随之增大,对应的热流密度峰值从950.7 kW·m^(-2)增大到1439.97 kW·m^(-2),提升约1.5倍,同时一、二次侧之间的沿程热流密度分布更加不均匀,不均匀度增大20%。

铅-超临界二氧化碳换热器耦合流动传热特性研究

为探究螺旋盘管式主换热器内的耦合流动传热机理,基于等长度分段模型,构建了以液态铅和超临界二氧化碳为工质的螺旋盘管式主换热器原型及模化比例样件的理论设计方法,并利用相似性原理完成了主换热器小比例样件设计。以主换热器小比例样件为研究对象,通过SST k-ω湍流模型数值分析了液态铅和超临界二氧化碳在螺旋盘管换热器内的流动传热特性。计算结果表明:螺旋盘管换热器内耦合流动传热性能主要受壳侧质量流量、管侧质量流量和壳侧工质入口温度影响;管侧超临界二氧化碳质量流量对螺旋盘管换热器内耦合流动传热性能的影响最为显著,在超临界二氧化碳质量流量增加52.4%的条件下,螺旋管的平均表面换热系数增大了21.2%;在壳侧液态铅的质量流量和入口温度分别增大94.6%、20 K的情况下,螺旋管内的表面传热系数分别增大了5.5%、3.3%。该研究可为螺旋盘管式换热器的工况选择和高效设计提供理论指导。

关于ELT-400在GB/T 37130—2018标准使用中的参数校正补偿

文章主要研究ELT-400在GB/T 37130—2018标准使用中的参数校正补偿。首先分析Nadar ELT-400频域值计算原理,然后对校正补偿系统的搭建和测量数据的比对进行分析,由于示波器模块FFT之间的数值存在偏差,又对其影响偏差的干扰因素进行分析,并利用计量数值的参数校正补偿的测量方法及数学补偿的方式降低计量干扰的可能性,期望对ELT-400在GB/T 37130—2018标准中的实际使用起到一定的参考价值。

音圈电机驱动的快速控制反射镜高带宽控制

分析一种音圈电机驱动的快速控制反射镜(FSM)的机械结构,由此建立其数学模型。依据模型,以不完全微分PID控制算法来消除结构谐振的不稳定影响,采用线性功率放大驱动方式,可使控制带宽超过其结构谐振频率,实现高带宽控制。实验表明,该方法应用于结构谐振频率分别为90Hz和20Hz的两种快速控制反射镜,系统的抑制带宽能分别达到315Hz和240Hz,而且该方法简单可行,通用性强。

采用柔性铰链的快速反射镜设计

根据激光发射系统对快速反射镜发射方向精度的需求,提出了一种新型快速反射镜设计方案。该方案以柔性铰链为运动传递元件,采用直线音圈电机驱动,并用高精度光栅测微仪实现位置闭环控制。首先,介绍了反射镜工作原理及驱动方式,选择了系统的驱动元件和测角元件,并对柔性铰链结构进行设计。在研究其刚度特性的基础上,采用序列二次规划法优化了铰链关键尺寸。然后,建立了驱动组件的简化模型,并利用理论公式和有限元分析软件分别计算驱动组件的转角精度。最后,使用测角元件及自准直平行光管测量了快速反射镜的转角精度。实验结果表明:所设计的快速反射镜装置工作稳定、结构可靠,对发射光束的控制精度能达到0.95″,满足激光发射系统实时控制光束发射方向的精度要求。

双盘式线圈结构快速斥力机构设计与运动特性仿真研究

近年来基于涡流原理的快速斥力机构成为研究热点,但该机构很难适用于长开距、高电压等级断路器。因此,研究适用于长开距的斥力机构具有重要意义。提出一种双盘式线圈结构的快速斥力机构,建立其数学模型,并对其运动特性进行仿真研究。通过与涡流斥力机构对比发现,该斥力机构的电能利用率更高,优势更为明显。根据40.5k V真空断路器的参数要求,比较分析各项参数对机构运动特性的影响,结果表明:两线圈初始间距影响最大,其次是线圈轴向匝数,影响最小的是线圈径向匝数。最后对机构应用于长开距的高电压等级真空断路器进行了展望。研究成果对新型高压快速斥力机构的设计具有一定的参考价值。

新型快速反射镜伺服系统设计

为了满足光电跟踪系统高精度跟踪的要求,针对一种新型内外框架式快速反射镜进行了详细的伺服系统设计。首先,对新型快速反射镜进行了数学建模,采用速度环与位置环相结合的双闭环控制方法,对位置校正环节和速度校正环节进行了参数设计。其次,以DSP为实现平台,详细阐述了快速反射镜伺服系统的硬件组成。再次,对快速反射镜伺服系统的工作模式和软件工作流程进行了详细说明。最后,为了验证快速反射镜伺服系统的性能,进行了锁零实验和跟踪实验。实验结果表明:快速反射镜锁零时响应快速且稳态误差小于0.3″,跟踪时跟踪误差均方根小于7″。新型快速反射镜伺服系统能够满足光电跟踪系统对快速反射镜的快速性和高精度要求。

VFTO作用下电子式电流互感器二次端口电磁特性仿真分析

电子式电流互感器凭借绝缘简单、体积小、重量轻、动态范围宽、无磁饱和等优良特性在变电站中得到了广泛应用。随着变电站电压等级的不断提高,开关操作过电压,尤其是隔离开关特快速暂态过电压(VFTO)对变电站电子式互感器的电磁干扰问题得到了越来越多的关注。分析了高压变电站VFTO产生和传播的物理过程,建立了电子式电流互感器罗氏线圈的高频暂态模型,得到了VFTO作用下罗氏线圈端口的信号波形。通过对比集中参数、分布参数以及实测的信号波形,证明分布参数模型可更好地反映罗氏线圈在VFTO作用下的高频特性。

音圈电机驱动的球面副支撑式快速控制反射镜设计

为了精确控制光束的传输方向,设计了一种以直线式音圈电机为驱动器的球面副支撑式快速控制反射镜(FSM)。在明确所需FSM系统功能和设计要求的基础上,分别对其机械结构、平面反射镜、驱动元件以及角度测量元件进行了设计和选择。完成精密加工、装配、调试后,对FSM系统进行了实验测试分析。结果表明,该球面副刚性支撑式FSM系统结构简单,承载能力强,谐振频率约为120Hz,反射镜稳定精度优于2″,且对振动、冲击、回转等动态工作环境具有较强的适应性,满足系统使用要求。

快速偏转反射镜研究现状及关键技术

快速偏转反射镜作为目标和接收器之间控制光束方向的反射镜装置已广泛应用于天文望远镜、激光通讯、图像稳定系统、自适应光学系统和激光武器等系统中。介绍国内外研制快速偏转镜的现状,在此基础上,对快速偏转镜的驱动、控制及检测等关键技术进行讨论,指出实现反射镜机构及其驱动、控制、检测系统的集成化、小型化和智能化是快速偏转反射镜的发展趋势。

激光发射系统快速反射镜的光线反射过程

为了精确控制光电跟踪复合轴系统的快速反射镜,研究了快速反射镜的反射过程。推导出了快速反射镜镜子转动角度和反射光线转动角度之间的关系,描述了快速反射镜系统的控制方法和软件实现。以推导出的快速反射镜镜子转动角度和反射光线转动角度之间的关系为理论依据,建立了快速反射镜伺服控制系统,对快速反射镜系统进行了锁零实验和跟踪实验,并与母轴系统进行了对比。实验结果显示:快速反射镜在锁零时稳态精度小于1″,且响应快速;在跟踪时系统方位跟踪误差均方根为3.6″,俯仰跟踪误差均方根为8.7″,满足光电跟踪系统对跟踪速度和瞄准精度的要求。得到的结果表明,基于快速反射镜反射过程理论建立的快速反射镜伺服系统提高了激光发射系统的跟踪精度和响应速度。

高精度动载体激光发射系统光束控制反射镜

设计了一种适于车载等运动环境下的快速控制反射镜,用于在具有振动和冲击的工作环境下控制激光发射系统的激光光束稳定及其精确校准。根据某光学系统的性能指标要求,阐述了用于高能激光的平面反射镜的物理性能以及控制反射镜负载应有的机械特性。采用大行程的音圈电机作为控制反射镜的驱动器,并设计了精度高、抗干扰能力强的角位移测量装置作为控制反射镜的位置传感器。对所采用的4个音圈电机和4个角位移测量装置进行了合理布局,既降低了系统的转动惯量又提高了系统的可靠性和环境适应性。实验结果表明:该快速控制反射镜的定位精度优于1.4″,满足高能激光发射系统对控制反射镜的精度要求。

音圈快速反射镜的完全跟踪控制

音圈电机驱动的快速反射镜在传统控制方法下具有严重的相位滞后,限制了其性能。针对这一问题提出了一种完全跟踪控制方法(Perfect Tracking Control,PTC)。首先,建立音圈快速反射镜系统离散状态空间模型,构建多速率采样系统,对长周期采样控制环节设计完全跟踪控制器;然后,对短周期环节设计基于离散滑模变结构控制的内回路补偿控制器。新方法实现了音圈快速反射镜对指令的完全跟踪,并有效补偿了外部扰动、模型不确定性以及机械非线性等因素对系统性能的影响,保证了系统的鲁棒性。实验结果表明PTC控制实现了系统工作频带的扩展,与传统PID控制相比,系统的阶跃响应调节时间缩短50%,静态位置波动峰峰值减小50%;与基于干扰观测器和零相差跟踪控制器的方法相比,系统的位置稳态误差由1.5%减小到0.05%。采用新方法的音圈快速反射镜对幅值360″的正弦位置指令跟踪的双十带宽达到375 Hz,有效改善动态性能,拓展控制带宽。

基于闭环特性的音圈电机驱动快速反射镜控制

建立了音圈电机驱动快速反射镜的控制回路模型,并利用该模型对实际对象的参数进行了辨识。设计调节器时从闭环特性入手,采用了基于理想闭环特性(最佳二阶特性)的逆向设计方法。该方法只需调整两个物理意义明确的控制参数阻尼系数和自然频率,可以得到较好的实际效果,从而提高了调节器设计的简洁性与实用性。经试验与仿真验证,该方法效果明显,扰动抑制带宽能达到采样频率的1/6左右,闭环带宽达到采样频率的1/5。

星载红外探测器快速反射镜控制系统设计

像移补偿是保证星载红外探测器成像质量的关键技术之一,针对某星载红外探测器光学系统的设计特点和成像工作模式,为补偿红外探测器在轨运行方向产生的像移和摆扫方向产生的像移,提出分别对俯仰方向快速反射镜和方位方向快速反射镜实施控制的方案。首先介绍红外遥感原理及像移现象;其次详细分析红外探测器光学系统的设计特点和光学系统组成;然后重点分析了红外探测器在轨工作中的像移产生的原因,并计算出在轨运行方向产生的像移量和摆扫方向产生的像移量;最后提出像移补偿方案,阐明其工作原理,并对像移控制系统硬件设计进行了详细分析。计算结果表明所设计的像移补偿系统的运动范围和运动加速度满足红外探测器技术指标的要求。

二维快速控制水冷反射镜装置设计

为了进一步精确控制激光发射方向,减少反射镜热畸变以提高光束质量,设计了一种新型二维快速控制水冷反射镜装置。根据高功率激光反射镜的设计和制作原则,对反射镜的材料性能进行了分析,采用主动水冷铜镜来减小镜面热畸变使镜面变形控制在0.1μm以内。然后,分别从机械结构、驱动器和控制系统、角度检测元件3方面设计了反射镜装置,其x-y轴框架式的机械结构形式,可减小反射镜的冷却水管对轴系回转精度的影响,使回转精度<2″。实验测试结果表明,二维快速控制水冷反射镜装置工作稳定、可靠,控制光束稳定的精度<1″,可满足对激光传输方向的精确实时控制和对光束整体倾斜方向进行校正等要求。

音圈电机驱动的快刀伺服系统建模与性能分析

复杂面形/结构零件的应用范围越来越广,往往一个零件上既有复杂面形也有微小结构。为了实现复杂面形/结构零件的高效加工,分析了快刀伺服加工方式的特点,设计并研制了音圈电机驱动的快刀伺服系统;基于动力学和电磁学分析,建立了快刀伺服系统的传递函数模型,并对控制方法进行了设计;在此基础上,通过实验对快刀伺服系统进行了性能测试,实验结果表明本文所研制的快刀伺服系统具有较高的运动分辨率、定位精度和工作频响,能够作为快刀伺服加工的进刀装置。