基于直驱并联机构的六自由度振动校准系统研究

直驱并联机构六自由度振动校准系统可以实现高精度和多自由度的运动模拟和校准,具有良好的应用前景。为了解决平台驱动关节滑块位置跟踪精度低的问题,对该机构进行动力学力矩前馈补偿分析。利用虚功原理建立该机构动力学模型,提出一种基本伺服算法与动力学前馈补偿相结合的控制策略。在实验样机上进行力矩前馈补偿,实验结果表明,在开放伺服程序增加力矩前馈补偿后,可以降低该机构在运动时的跟随误差,进行不同幅值单自由度正弦运动时,跟随误差分别下降40.32%、39.04%、43.24%、48.19%。并对振动台进行了性能检测,在平台基础上,搭建激光测量系统和数据采集模块,进行传感器校准和性能分析,平台横向振动比较小,谐波失真度均小于2%,平台具有较好的稳定性和性能。

复振型的物理意义——以两自由度陀螺系统为例

在传统振动力学教学中,复振型主要用于振动方程解耦的数学操作,对其物理意义阐述不清楚。本文从简单的旋转框架下两自由度线性系统入手,阐述了模态振动中复振型表征各振子位移与速度组合的比例关系,而非实振型所表征的位移比例关系。本文明确了复振型振动的非同时性及伴随性,引导振动力学的初学者深刻理解复振型的直观物理意义。

基于自由曲面光学元件的大视场光学成像系统

面向机载探测系统大视场光学成像的需求,开展了大视场光学成像系统光学设计、自由曲面光学元件超精密加工、形位误差同步检测以及系统集成与成像实验研究。首先,采用视场扩展法进行大视场自由曲面离轴反射光学系统的设计;其次,进行铝合金自由曲面反射镜纳米精度加工和高频抑制工艺探索,并实现了基于计算全息元件的自由曲面形位高精度检测;最后,进行了光学系统的装调集成与成像实验。结果表明,系统的视场角为30°×5°,全视场光学传递函数值大于0.7,接近衍射极限,最大像元均方根半径为2.075μm,自由曲面光学元件的面形精度均方根(Root Mean Square,RMS)值优于20 nm,位置精度优于1μm,装配集成后能够满足大视场高分辨的场景使用要求,同时具备稳定可靠和快响制造等特点。

用于校正大视场共轴光学系统畸变的自由曲面设计方法

大视场光学系统的畸变往往较为严重,畸变会导致图像的扭曲和变形,为了解决这个问题,提出了一种利用自由曲面校正大视场共轴光学系统畸变的设计方法,应用该方法可以在优化后期提升光学系统的指标。基于逐点法、矢量折射定律通过光线追迹的方式,根据原有光学系统的出瞳位置和畸变情况,利用自由曲面对各视场主光线进行偏折,进而对畸变进行校正。给出了设计实例,分别拟合出了自由曲面和非球面。对比结果显示,相比于原系统,自由曲面的加入导致TV畸变从–6.3355%下降到0.0002%,相对照度从65.5%下降为50%,调制传递函数从0.54提高到0.64,蒙特卡洛分析90%概率调制传递函数从0.574提高到0.589。相比于相同位置的非球面,自由曲面对系统的畸变校正能力更强,降低了0.2109%,调制传递函数提升了0.06,并且更具有减小系统切向和矢向之间发散的优势,相对照度降低了0.2%,蒙特卡洛分析结果提升了0.002。证明了自由曲面设计方法对大视场共轴光学系统的畸变有着明显的校正作用,体现了自由曲面在大视场共轴光学系统中有着潜在的重要研究和应用价值。

弹性驱动系统二自由度速度控制策略

针对二惯量弹性驱动系统,为了提高系统的稳定性,文章基于极点配置法对IP和PI速度控制系统进行参数设计,分析系统的阻尼特性。为改善系统快速性和稳定性,导入二自由度控制技术提高系统的设计自由度并增加一个前馈调节因子,分析其调节规律并给出一种设计方案。仿真分析表明,极点配置法结合二自由度控制可以保证速度控制系统快速性和稳定性的平衡,并且通过实验论证了设计的有效性。

一种基于Hexaglide并联机构的六自由度风洞模型支撑系统设计优化

风洞实验室内部六自由度支撑系统作为其整体试验机构的关键部分,可实现支撑模型在流场空间中进行位置和姿态的连续变化运动。文中以一种基于Hexaglide并联机构的六自由度支撑系统为研究对象,根据风洞试验中的运动特点与技术指标对支撑系统的构型进行设计,并运用遗传算法(帕累托最优解)对机构的运动算法进行多目标的运动学迭代优化,结果显示其滑块所需的最大驱动速度降低了近23%。同时运用SolidWorks仿真平台对系统进行运动学仿真,仿真结果验证了其算法的有效性,该六自由度支撑系统的设计和优化提供了理论支撑。

硬X射线自由电子激光装置中低温工厂工艺冷却水系统设计

硬X射线自由电子激光装置项目建设了国内最大的超流氦低温系统,为了让系统中冷箱、压缩机等热耗较大的低温设备实现恒温调节,保证低温系统的正常稳定运行,需设置供水水温恒定的冷却水系统。文章从工艺要求、总体布局、方案设计、系统组成、运行模式及温度控制等方面细介绍了一号井低温工厂工艺冷却水系统设计,并在试运行期间对其进行能量回收和备用冷源流量验证试验,以验证设计效果,为类似项目的设计提供经验和借鉴。

基于自由曲面的离轴三反光学系统研制

针对宽波段、大视场机载光学系统的设计需求,采用二次成像光路形式和XY多项式自由曲面,研制了一套基于640×512@24μm长波红外制冷型探测器的离轴三反光学系统。相比传统离轴三反光学系统,该系统解决了制冷型探测器冷光阑匹配问题和子午视场较小的设计难点,具有宽波段、大视场、透过率高、体积紧凑、无中心遮拦、无热化等技术优点。光学系统焦距160 mm,工作波段8~12μm,F数2,视场5.5°×4.4°,主镜和次镜均为二次曲面,三镜为XY多项式自由曲面。光学系统波前测试结果表明,系统波像差全视场平均值0.067λ(λ=9.11μm),具有较好的成像质量。

自由空间光纤通信系统码间干扰抑制技术

自由空间光纤通信系统传输时,受大气湍流效应影响导致通信信号任意起伏,使得接收信号的码间出现干扰,严重影响通信质量。提出自由空间光纤通信系统码间干扰抑制技术。采用空间矩阵与标准对数协方差,构建自由空间光纤通信系统模型,分析传输过程产生码间干扰原因。利用射线模型获得各信号能量聚焦,使用自适应级联滤波设备与单极性单周补偿控制,抑制通信码间部分干扰,采用时间翻转镜完成剩余部分通信码间干扰抑制。实验结果表明:这种方法能够有效抑制通信系统的码间干扰,提升了通信输出信号信噪比,且降低了误码率。说明该技术能有效提升通信信号传输质量,具有较好的使用价值。

“自由曲面光学系统设计技术”专栏序言

随着科学技术的发展,人们对光学系统的性能要求越来越高。受限于轴旋转对称的面型约束,传统球面和非球面已逐渐无法满足现代光学系统高性能和小型化的发展要求。光学自由曲面是一类非旋转/拉伸对称面型的总称,构成十分丰富。

RIS辅助的混合RF/FSO系统物理层安全性能分析

【目的】针对自由空间光(FSO)链路和射频(RF)链路的保密信息容易被外部窃听者窃听的问题,为提升混合RF/FSO通信系统的保密性能,同时考虑到实际工程中FSO链路往往无法满足视距条件且不同天线分支之间会由于收发模块小型化产生相关性,需要对可重构智能表面(RIS)辅助的混合RF/FSO系统的安全性能进行研究,以得到系统安全性能与RIS部署位置和天线相关性程度等参数的关系。【方法】文章考虑单个窃听者,分别针对RF和FSO链路进行窃听,RF链路服从任意相关的Nakagami-m分布,FSO链路服从Gamma-Gamma分布。采用解码转发协议,推导得到了两种窃听场景下通信系统的安全中断概率(SOP)和严格正安全容量概率(SPSC)的闭合表达式,并对SOP进行了渐近分析。此外还利用Matlab软件进行了仿真实验,通过蒙特卡洛仿真来验证所推导公式的准确性。【结果】仿真结果表明,将RIS部署在靠近接收端的位置可以降低系统的SOP,RF主信道的信道质量与窃听信道相比较好时,天线相关性程度的增加会使系统的SOP上升。【结论】RIS辅助的FSO链路相比RF链路具有更好的安全性,虽然多天线分集技术能够有效提高系统的安全性能,但是类似指向误差和大气湍流引起的衰落,天线相关性也会对系统的安全性能造成损害,通过降低天线相关性程度能有效提升系统的安全性。

6000t自由锻造水压机改油压机关键技术研究

本文提出了6000t自由锻造水压机升级改造的必要性,介绍了6000t自由锻造水压机升级改造的路径及改造后主要参数,阐述了控制系统升级改造方案及其关键技术。

大型自由曲面离轴三反光学系统降敏设计(特邀)

离轴三反光学系统基于无孔径遮拦、可实现大视场等优势,结合自由度高、像差校正能力强的光学自由曲面,可以实现优异的光学性能。光学系统成像指标的不断提高促使反射式光学系统的口径和焦距不断增大,光学系统误差敏感度剧增,加工难度和装调敏感度也随之提高,耗费的时间和经济成本巨大。误差敏感度可以表征光学系统在失调后的敏感程度,误差敏感度低的光学系统公差精度要求宽松,在优化过程中控制误差敏感度可以实现像质与成本之间的最佳平衡。因此,降敏优化是光学系统设计过程中不可或缺的一环。文中提出的角度优化降敏设计方法和局部曲率控制降敏设计方法对一个焦距30000 mm、F数为15、视场角1°×1°的大型自由曲面离轴三反光学系统进行了降敏设计并进行对比,结果表明,在光学系统构型无显著差异的情况下,使用两种降敏设计方法降敏后的光学系统像差校正理论结果均表现优异,调制传递函数(MTF)均接近衍射极限,两种降敏设计方法均可以有效降低光学系统误差敏感度。对比发现,局部曲率控制降敏设计方法降敏效果更好。

人工智能:计算还是思考?——从“普全数学”到“自由系统”的思想史梳理

伽利略尝试将自然世界加以数学化的同时,霍布斯也在考虑将数理模式运用于社会性领域。此后,无论是在笛卡尔对认识方法的思考以及相关书信中零星出现的“普全数理模式”观念,还是斯宾诺莎用几何学的方式来研究人的思想、情感、欲望的设想,直至莱布尼茨作为一切科学之基础的普全数理模式的提出,都可以视作后来拉·梅特里的“人是机器”以及今日物理主义观念的前期准备。这个趋向在现象学的发展中受到质疑。胡塞尔认为,用一种普全数理模式的形式来苛求纯粹现象学的心理学是一种荒谬。而海德格尔则针对自然科学的普遍计算特征提出批评:科学不思。思考与计算在这里形成人类理性内部的对立。在这里进行的分析论证涉及两者之间的本质区别:思考是自觉的、自主的、自由的,计算则恰恰构成其对立面。这也是对思想史上“普全数学”与“自由系统”的对立的再讨论。

基于LMI的二自由度飞行器多变量控制

针对二自由度飞行器存在非线性特性、强耦合性以及易受外界干扰等问题,提出了基于LMI的二自由度飞行器多变量控制方法。首先,根据二自由度飞行器系统的输入和输出变量,结合空间动力学方程建立了系统的状态空间模型;其次,设计满足静态输出反馈稳定的多变量控制律;然后,通过李亚普托夫稳定性定理与极点配置法,将控制系统稳定性问题转化为优化问题,利用线性矩阵不等式(LMI)求解满足最优性能指标的多变量控制器参数;最后,通过对比仿真分析与单变量PID,表明该方法能有效提升二自由度飞行器的轨迹跟踪精度。

一种100 MN自由锻压机控制系统的设计方法

基于性能、可靠性、易操作、易维护、高扩展等5个指标的100 MN自由锻压机控制系统设计方法,兼顾了设备的设计和制造环节以及设备交付后的生产和维护环节,并为设备后续升级预留了接口。在此原则之下,设备制造商以最终用户的视角进行顶层设计,最大程度地实现了设备制造和使用统一,更好地保证了设备全生命周期内的可靠稳定运行。

制冷型大面阵自由曲面离轴三反光学系统设计(特邀)

针对超大面阵红外遥感探测的需求,设计了一个基于自由曲面的超大矩形视场制冷型离三反光学系统。系统采用一个偶次非球面反射镜和两个自由曲面反射镜组成二次成像的结构,具有实出瞳并与冷光阑匹配,能够实现100%的冷光阑效率。与其他离轴三反系统相比,该系统最大特点在于其适配了4 k分辨率的大面阵红外探测器,具有视场大、无遮拦、成像质量好等技术特点。系统焦距为150 mm,工作波段为1.5~5μm,工作F数为5,视场为30°×25°。结构上,主镜采用偶次非球面,次镜和三镜采用XY多项式自由曲面,以校正大视场下的各种像差,系统在各个视场下调制传递函数在25 lp/mm处均大于0.4,满足大面阵红外探测器的成像质量要求。

上海软X射线自由电子激光装置束线站定时系统

上海软X射线自由电子激光装置由活细胞结构与功能成像等线站工程和软X射线自由电子激光用户装置共同构成,两个项目同步建设,有机衔接,包含两条光束线和5个实验站。为了向束线站各类设备提供稳定且精确的触发信号,基于WRTD分布式架构,使用WR交换机及光纤构成的网络,实现了长距离多节点之间的频率锁相及纳秒级时间同步,通过扇出模块最后输出延时和脉宽可调的触发信号。整个系统集成在EPICS框架中,可以通过PyDM界面对系统进行监测和控制。目前该系统稳定运行,抖动在100 ps量级,为束线站顺利通过工艺测试、实验站取得首批实验数据,提供了重要支持。

自由曲面离轴四反全铝光机红外探测系统(特邀)

为满足红外探测系统对大视场、轻量化、低成本的需求,设计并研制了一款用于制冷型红外探测器的自由曲面离轴四反全铝光机系统。光学设计采用具有实出瞳的离轴无遮拦全反射式光路形式,并利用7次XY多项式表征各反射镜面型。在紧凑包络约束下,实现了6.25°×5°的视场角,全视场RMS几何弥散斑半径<6.0μm。各反射镜和支撑结构材料均选用6061-T651铝合金,各反射镜进行了柔性支撑设计,以降低装调时的刚性连接应力。采用激光干涉仪对光机系统波像差进行了测试,典型视场波像差<RMS0.7λ@632.8nm。相比传统的离轴反射系统,文中系统采用“全自由曲面+全铝光机"新构型,能够用更紧凑的包络实现更大视场,且整机具有轻量化、低成本以及无热化的特点,在红外探测领域具有重要应用前景。

轴-艇耦合系统自由振动特性建模与分析

为了探究水下航行器结构间的振动传递规律,本文基于能量变分原理,以梁-组合壳作为轴-艇耦合系统结构的简化,建立理论计算模型并对其自由振动特性进行分析。引入改进傅里叶级数构造梁结构及组合壳结构的位移函数,得到各自结构的动能和应变能;分别利用耦合弹簧组和边界弹簧组将结构之间的位移连续条件和边界约束条件转换为对应的耦合弹簧势能;对系统能量泛函进行变分求解,得到耦合系统的固有频率及模态振型。通过与有限元软件的对比,验证了本文计算模型的准确性,并对不同壳体边界条件下耦合系统固有频率变化规律进行计算分析。研究结果表明:耦合系统低频段存在解耦模式,振动模态可等效于刚体结构上的多跨梁弯曲振动;壳体边界约束增强会导致耦合系统大部分固有频率随之增大并最终趋于稳定,但不会对解耦模式的固有频率产生影响。