表面平齐的并联微穿孔板吸声结构特性仿真研究

针对火箭发动机燃气高温高速射流通道内噪声控制的工程需要,提出了一种表面平齐的并联微穿孔板吸声结构设计方案。基于微穿孔板吸声理论,建立了COMSOL微穿孔板吸声结构吸声性能仿真模型,对该类并联微穿孔板吸声结构的吸声特性进行了仿真研究,分析了并联结构的背腔深度比、周期和单体宽度等多种参数对吸声性能的影响。结果表明,通过合理选择微穿孔板参数,以及并联共振腔深度、周期比、单体宽度等参数,可以得到吸声带宽、吸声系数较优的吸声结构,且加工制造与安装维护简单,研究成果可用于高温高速射流通道内的强噪声辐射环境控制。

井下多级并联微旋流器流量均布性分析及优化

采用多级并联微旋流器的方式实现井下油水分离,不仅可以提高采出液含油体积分数,同时能够满足高处理量要求。在井下工作时,若油水分离设备与套管间形成的油套环空流场结构不合理,会导致每级微旋流器组得到的流量不均匀,影响多级并联微旋流器分离装置的整体分离性能。基于数值模拟和响应面Box-Behnken试验设计方法,构建了分离装置和套管形成的油套环空流体域的结构参数与流量不均匀系数、最大压力损失间的数学模型,并对模型的有效性进行了验证。分析结果表明:当每级入口间距为400 mm、每级入口角度为90°、总级数为3级、出入口面积比为0.5时,优化后的流量不均匀系数从0.02653减小到0.01289,降幅达51.41%;与初始结构对比,当雷诺数在3000~8000范围内变化时,优化结构的流量不均匀系数在各种工况下比较稳定,最大可减小0.04708,最小为0.01125;优化后的结构呈现了较好的流量均匀分配性能及适应性。所得结果可为井下多级并联微旋流器的设计及应用提供参考。

基于自抗扰控制的并网逆变器环流抑制策略

谐波交互是影响微网正常运行的主要扰动之一,为此带来的谐波谐振和谐波环流等问题备受关注。环流抑制是确保微网系统可靠工作的关键技术,为应对双闭环PI控制受扰动情况下抑制环流效果不佳,提出了一种基于自抗扰控制的多逆变器并联环流抑制策略,由线性扩张状态观测器对扰动进行估计并进行反馈补偿,配合独有的带宽法调参改善多逆变器并联均流控制效果。文章的主要内容是:建立了逆变器拓扑结构,进行环流的数学物理机理分析,通过两台逆变器并联在并网情况下的MATLAB仿真,证明了并联系统在扰动存在的条件下,自抗扰控制对环流有较好的抑制能力,使系统有很好的动态响应性能和均流效果,提高了并联系统的抗扰能力和可靠性。

400 km/h高铁隧道联通式缓冲结构对微气压波的影响

随着高速列车运行速度的提升,隧道口微气压波幅值剧增,强烈的爆破噪声同时影响着周边环境和附近居民的正常生活。本文研究由平行导坑与横通道组成的联通式缓冲结构对400 km/h高铁隧道微气压波的缓解作用。首先,进行400 km/h动模型试验,验证数值模拟方法的准确性;其次,基于RNG k-ε湍流模型和滑移网格技术分析联通式缓冲结构位置距隧道入口的距离D与联通式缓冲结构长度L对微气压波的影响。研究结果表明:随着D增加,微气压波的缓解率逐渐增大,在D=25 m时达到最优,微气压波幅值减少34.4%;随着L增加,微气压波幅值缓慢增加;当L=30 m时,隧道口20 m处的微气压波幅值为91 Pa,缓解率为37.1%。联通式缓冲结构与既有350 km/h高铁线路上的断面扩大开孔型缓冲结构组合,可将隧道口20 m处微气压波幅值减小至47.3 Pa,降幅达67.3%。联通式缓冲结构合理利用了修建隧道时遗留的平行导坑,可在保障施工成本几乎不变的前提下,显著缓解微气压波,保护隧道周边环境。

基于Au/In键合的静电扭转微镜的设计与工艺研究

采用Au/In键合技术并引入凸点层设计,制备了用于光通信领域的二维平行板式静电扭转微镜阵列。相较于其他键合技术,Au/In键合实现了低温键合并与硅通孔技术相容。此外,相对于梳齿驱动,采用平行板电容的扭转微镜有助于实现更高的占空比,便于阵列制造。凸点层的设计提升了键合强度,平均键合强度达8.97 MPa。微镜的实测结果与有限元仿真基本一致,内、外轴分别在13.7 V和18.2 V的直流电压下实现了0.7°的机械转角。

计及线路阻抗的分布式微源自适应下垂并联

此处分析了以逆变器为接口的分布式微源并联系统的环流产生机理,指出在线路阻抗呈感性时,并联单元间线路阻抗差异和输出电压偏差对系统无功功率均分具有较大影响。为此,提出一种电压源型分布式微源逆变器(VS-DMI)的并联系统均流控制方法,通过在传统微源无功/电压控制环路上叠加一个根据当前无功自适应变化的电压补偿值,可以有效改善由于线路阻抗不一致和电压偏差导致的无功功率不均分,实现并联系统的均流控制。仿真和实验结果验证了该控制策略可以显著抑制功率环流,实现不同线路参数下各台逆变器输出功率的平均分配。

一种光伏微型逆变器的设计研究

在能源危机、环境污染日益严重的今天,光伏发电体现出得天独厚的优势。光伏微型逆变器作为能量传输的桥梁,它的优劣直接决定着光伏系统的效率高低以及输出电能的质量好坏。基于STM32设计的一款光伏微型逆变器,其硬件电路包括主电路、控制电路、辅助电源电路、采样电路、驱动电路以及人机交互电路。通过MATLAB仿真和实物制作调试,验证了该设计,使其系统的输出能满足并网要求,并能迅速准确地追踪光伏阵列最大功率点电压,且当电网断电时,也能快速检测到孤岛现象并关闭系统。

全屏蔽硅基腔体MEMS双工器

基于三维高精度微电子机械系统(MEMS)加工工艺,研究了一种全屏蔽硅基腔体MEMS双工器的设计及制备方案。简要分析了关于平行耦合线滤波器的相关设计原理,采用λ/4平行耦合线设计两通道滤波器,结合T型匹配网络实现双工器的设计。该双工器以双层高阻硅片作为衬底材料,采用MEMS工艺制备接地通孔,以提高双工器的隔离度及电磁兼容特性。设计的双工器发射通道工作频率为9~10 GHz,接收通道工作频率为11~12 GHz,最终制备出尺寸为7 mm×7 mm的双层硅基双工器,发射及接收通道的回波损耗≤-18 dB,两个通道之间的隔离度约为-30 dB。测试结果与仿真结果吻合较好,为硅基MEMS微系统的集成设计提供技术支撑。

非线性负载接入孤网的电压与谐波协同控制

此处首先建立了并联逆变器系统的分层控制模型,提出了增强型虚拟阻抗与谐波补偿器实现了对非线性负载电流和功率的均分且同时抑制了谐波电压,并通过二次控制将微电网电压和频率恢复到额定值。最后通过系统仿真与原理样机实验充分验证了所提控制技术对于并联逆变器系统在非线性负载条件下稳定运行的可行性。

基于压电陶瓷的并联六自由度平台的位姿控制模型与验证

针对传统电机驱动的小型Stewart平台无法达到纳米级定位的问题,设计了一种基于压电陶瓷的并联六自由度平台。该平台采用球副连接、对称分布及单层结构的设计,起到提升小型Stewart平台的定位精度的目的。通过分析并联六自由度平台定位原理,构建了6个自由度的位姿控制模型。通过仿真软件进行有限元分析,同时,在实体样机上进行实验分析,验证位姿控制模型的正确性。分析结果显示:并联六自由度平台沿X、Y和Z方向的行程均为-13.48~13.99μm,沿U、V方向的行程均为-616.59~639.17μrad,沿W方向的行程为-406.02~391.68μrad。目标位移与实验结果的最大误差为3.71%,验证了位姿控制模型的正确性。

基于运行容量仿真的近距平行双跑道设计快速评估研究

受空间资源及地理位置限制,近距平行双跑道设计成为多数目前机场增加容量最直接的方式之一,但其主要采用隔离运行模式,虽与单跑道运行相比容量有所提升,但保留了较高的安全裕度,使得平行双跑道的利用率不高,容量提升效果不明显。因此,需在预研及设计阶段对容量进行提前评估,得到性能最优化的机场设计构型。市场上对民用机场运行效率的成熟评估软件主要为国外软件商,自主研制的软件工具稀缺,难以在设计初期以定量化的手段对设计进行最直观的评估。所以本文将结合计算机仿真技术,基于标准近距平行双跑道设计布局,对飞行全过程进行数学建模及系统逻辑仿真,搭建起单、双跑道侧机场跑道容量仿真评估技术路径,实现双跑道进、离场的参数可调实时容量计算原型系统开发,同时针对不同错列距离设计参数开展容量仿真,辅助开展最佳设计决策与成果评估。

基于静电驱动的平行平板型微反射镜的研制

设计了一种基于静电驱动的平行平板型微反射镜,主要由镜面、下电极、支柱和玻璃基板构成。通过有限元模拟分析得到的仿真结果表明,带孔结构的微镜模型模拟位移量是传统双横梁支撑结构微镜模型的1.5倍,确定了制备的微镜装置结构。在制备过程中只采用了溅射、光刻、机械切割及反应离子刻蚀等工艺,简化了工艺流程,降低了制备成本。使用反应离子刻蚀(RIE)去除牺牲层,为了克服光刻胶OFPR800灰化速度慢、灰化时间过长会损伤器件的问题,提出添加氟类气体的解决方法。实验结果表明,使用O_(2)和SF_(6)混合气体作为刻蚀气体刻蚀牺牲层后,射频(RF)溅射成的铝膜平均表面粗糙度为5.33 nm,均方根粗糙度为7.44 nm,在250~850 nm的波长范围内能够得到70%以上的反射率,并且无光刻胶的残留,刻蚀效果最理想,因此采用了O_(2)/SF_(6)RIE工艺去除牺牲层。针对仿真中出现镜面层厚度变化影响驱动位移的现象,制备了镜面层厚度分别为0.5和0.8μm两种微镜样品进行了测试。实验结果表明:0.5μm厚的样品不能承受自重而凹陷,0.8μm厚的样品镜面驱动位移接近0.1μm,符合设计要求。

基于最速下降法的自适应环流抑制

针对交直流混合微电网孤岛运行时,并联变流器硬件参数不能完全一致,控制信号无法完全同步以及负荷波动导致并联回路中存在多种循环电流问题,提出一种基于最速下降法(SDM)的虚拟同步发电机(VSG)控制策略。通过最速下降法迭代得到循环电流最小时的变流器输出电压并反馈给VSG控制器,既实现各工况下VSG输出电压的同步,又有效地完成了负荷波动时的电压自适应调整。为了验证所提控制策略的有效性,在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,仿真结果表明所提控制方法可有效抑制系统环流。

基于ACP理论的微型扑翼飞行器的姿态控制

微型扑翼飞行器(Flapping wing micro aerial vehicle,FWMAV)因飞行效率高、质量轻、耗能低、机动性强等显著优点,在飞行器研究和应用中占据重要地位.目前,FWMAV姿态控制成为飞行器控制研究领域的研究热点.针对FWMAV姿态控制问题,基于平行智能理论框架提出了一种FWMAV抗扰动姿态控制器.通过建立人工系统(Artificial systems,A)、计算实验(Computational experiments,C)、平行执行(Parallel execution,P)三个过程,得到一个能够有效解决FWMAV姿态控制过程中扰动问题的控制器,并通过理论分析和数值仿真证明了该控制器的有效性.

x-y-θ_(z)大行程无耦合并联压电微动平台的设计

为了实现大位移行程、无耦合运动的精密定位,设计了一种结构紧凑、工作台面大的x-y-θ_(z)三自由度并联压电微动平台。该文首先采用双柔性薄板的柔顺桥式放大机构对微动平台的驱动单元进行了设计,并基于双平行四连杆柔顺机构设计了微动平台的台体,进而获得平台的整体结构。再采用有限元方法对平台的应力、位移放大倍数和模态进行了分析。最后对所设计的微动平台进行实验系统的搭建,并对平台的位移和频率响应特性进行测试。实验结果表明,平台在x方向上的最大输出位移为306.1μm,耦合率为0.26%;平台在y方向上的最大输出位移为402.3μm,耦合率为0.14%;在θ_(z)方向(即绕z轴)的最大转角为2.72 mrad。平台在x、y、θ_(z)方向的位移分辨率分别为10 nm、10 nm、0.1μrad,固有频率分别为104.1 Hz、130.0 Hz、115.6 Hz。

三层多晶硅结构的挠曲式静电驱动MEMS微反射镜

将悬臂梁结构与平行平板型结构相结合,研发了一种挠曲式静电驱动微电子机械系统(MEMS)微反射镜。为了实现大扭转角度、小驱动电压的设计目标,通过仿真实验进行对比分析,确定了微反射镜的相关尺寸。采用低压化学气相沉积、光刻、反应离子刻蚀和溅射等工艺,成功制备出了一种具有三层多晶硅结构的微反射镜。在制备过程中得出氢氟酸去除牺牲层(磷硅玻璃)释放出微反射镜结构的最佳刻蚀时间为45 s。制作了开关频率为200 kHz的MOSFET高速驱动电路,电路中的栅极驱动电阻(R_(G))是影响输出的关键因素。实验结果表明,当R_(G)额定功率为300 W、电阻为47Ω时,微反射镜能够达到足够启动速度,实现高速开关的设计目标。最后,设计并搭建了微反射镜的测试系统,施加60 V的驱动电压进行测试,通过显微镜观察到微反射镜的明显动作变化以及屏幕上光斑的位移变化,表明制备的微反射镜可正常驱动。

零停顿解决控制冒险的微架构设计

在多级流水架构中,当跳转指令进入译码阶段,跳转地址在译码阶段结束后才能获得,下一条指令在取指阶段并不能及时获得跳转地址,引发控制冒险。针对现有分支预测方法处理控制冒险问题时所需硬件资源较多的情况,提出一种简洁的微架构设计方案。微架构首先以管道重组的方式,将所有包含PC的指令前推到译码阶段完成执行。再通过增加寄存器文件写回端口和优化写回逻辑的方式,解决此类指令前推所带来的写回值错乱问题。同时以停顿的方式处理此类指令存在的数据冒险。最后实验表明,微架构能够解决所有控制冒险问题,特别对于无数据相关性的控制冒险问题更是做到零停顿地解决,在硬件资源消耗上低于现有文献提供的同类架构。

并联微操作手的运动学分析

对6自由度并联微操作手的运动学进行了深入研究。此操作手是一个6－6型、PSS副、带柔性铰且由压电驱动的微动并联平台。针对其微动特性，利用摄动旋转齐次变换矩阵，建立了并联微操作手的运动学方程，导出输入、输出位移的雅可比矩阵。该矩阵在整个微小运动范围内，可近似为常数阵。最后用计算机仿真分析了引入常难可比矩阵的微操作手运动误差，结论证明了简化的合理性和有效性。

宏微并联机器人系统自适应交互PID监督控制

500m口径球面射电望远镜(Five hundred meter aperture spherical radio telescope,FAST)的馈源支撑与指向跟踪机构由宏微并联机器人系统构成,大跨度柔索驱动的宏并联机器人保证系统的大工作空间,精密电动缸驱动的Stewart平台作为微并联机器人保证系统的末端精度并扩展其伺服带宽。为了降低宏并联机器人的柔性对末端定位精度的影响,提出基于并联机构学原理的三维机动目标解耦跟踪预测算法,对馈源舱的运动进行跟踪预测。引入自适应交互算法解决PID参数的实时调整,设计自适应交互PID监督控制器,根据馈源舱的预测运动和馈源平台的目标轨迹产生电动缸规划级控制量。此外,在电动缸执行级采用带前馈的数字伺服滤波器实现电动缸的高精度轨迹跟踪。FAST50m缩尺模型试验表明,结合解耦预测算法对馈源舱的运动预测,自适应交互PID监督控制器效果良好,能够确保宏微并联机器人系统在以期望的跟踪速度运行时,获得完全满足控制要求的定位精度和指向精度。

微动机器人运动学分析的基础研究

本文针对微动机器人的特点，采用微分的方法对微动机器人的运动学进行了分析，得到的六自由度并联微动机器人的输入输出的位移方程、速度方程、加速度方程均具有显式的正逆表达形式，使微动机器人的运动学分析十分方便，具有通用性。