基于PCA-BP神经网络的巷道通风摩擦阻力系数预测模型

根据实测巷道通风摩擦阻力系数数据的特点,建立了主成分分析PCA-BP神经网络预测模型。采用PCA法对影响巷道通风摩擦阻力系数的支护类型、断面形状、巷道宽、巷道高、支护部分周边长、巷道断面积和巷道长度7个因素进行降维。将降维后因素的贡献率进行排序筛选,得到3个主成分指标(F_(1)、F_(2)和F_(3)),作为BP神经网络输入层的神经元。利用实测数据对PCA-BP神经网络模型进行训练和测试,并将测试结果与支持向量机回归(SVM)模型和BP神经网络模型的测试结果进行对比,结果显示:全因素的BP神经网络预测模型和SVM预测模型的平均精度分别为92.9420%、93.0235%,而PCA-BP预测模型的平均精度达到了96.4325%。PCA-BP神经网络模型不但简化了网络结构,更提高了网络的泛化能力,使预测误差更小、精度更高,为更准确地获得巷道通风摩擦阻力系数提供了一种有效的方法。

改进LuGre模型的挖掘机器人摩擦补偿控制

非线性摩擦会降低挖掘机器人电液伺服系统的动静态性能,引起轨迹爬行、平峰和稳态误差等现象。经典LuGre摩擦模型仅与速度有关,内部鬃毛状态变量无法准确测量,无法全面描述复杂的挖掘机器人电液伺服系统摩擦特性。本文综合考虑电液伺服系统位置、速度和方向等信息,设计了一种改进的LuGre摩擦模型,同时引入速度阈值解决了弹性鬃毛平均变形状态观测器不稳定问题。其次,为了解决传统优化算法陷入局部最优解、收敛速度慢等问题,通过引入惯性权重、异步变化和精英突变操作改进基本粒子群优化算法,以精准快速辨识出改进LuGre摩擦模型中的6个未知参数。最后,结合辨识出的摩擦模型,基于结构不变性原理设计前馈摩擦补偿控制器,并在23吨挖掘机器人进行了正弦和三角波不同工况下的轨迹跟踪实验。实验结果表明,传统的比例积分微分控制器跟踪误差最大,三角轨迹最大跟踪误差达到了29.68 mm,基于改进LuGre模型设计的前馈摩擦补偿控制器仅为9.70 mm,误差减小了67.31%,基于改进LuGre模型设计的前馈摩擦补偿控制器可以有效提升挖掘机器人的轨迹跟踪精度。

机理模型与集成学习混合驱动的机器人关节摩擦建模方法

机器人一体化关节广泛应用于医疗、协作机器人等领域,其摩擦特性是影响机器人性能的关键因素.为此,提出了一种机理模型与集成学习混合驱动的机器人关节摩擦建模方法,以提高模型精度.首先,综合考虑转速、负载等关节摩擦特性的影响因素及其周期波动特性,基于先验知识和物理分析分别建立了伺服电机与谐波减速器的参数化机理模型,描述摩擦特性的变化规律.然后,针对机理建模中因线性假设、忽略高阶项等产生的非线性残差,提出了基于eXtreme gradient boosting(XGBoost)的残差补偿模型建模方法,通过采用Boosting集成学习策略,提高残差补偿模型的泛化能力.同时,采用贝叶斯优化方法进行XGBoost模型的超参数寻优,以提高模型精度和训练效率.相比于传统的参数化机理模型,本文所提出的混合驱动模型具有更高精度.与反向传播神经网络、支持向量机、长短时记忆神经网络等多种典型方法的对比实验表明,本文所提出的基于XGBoost的残差补偿模型具有更强的特征提取能力,能够较好地预测强非线性的波动摩擦残差,有效地提高了整体模型的精度.

基于平滑GMS模型和改进扩张状态观测器的复合摩擦补偿

摩擦力是影响直线伺服系统低速运行与点对点定位精度的主要非线性扰动。广义麦克斯韦(generalized Maxwellslip,GMS)摩擦模型虽然可以准确描述摩擦特性用于前馈补偿,但其存在切换点过渡时振荡的问题,同时易受测量噪声和摩擦参数变化等影响。为此,该文提出基于平滑GMS模型和改进扩张状态观测器(extended state observer,ESO)的复合摩擦补偿策略。首先,引入过渡用双曲正切函数以解决GMS模型中在切换点的反复穿越问题,并给出该模型的离线辨识方法。其次,设计基于模型信息的四阶ESO补偿剩余摩擦力与未知扰动,并引入切比雪夫滤波器整定观测器增益,以降低扰动观测与噪声敏感之间的冲突。为验证所提摩擦补偿策略的有效性,在小型高精度永磁同步直线电机定位平台上进行定位实验。实验结果验证了所提摩擦补偿策略的可行性和有效性。

借助模型构建促进科学思维过程显性化——以探究初中科学摩擦力方向为例

通过分析2023年浙江省多地初中生学业水平考试科学卷中有关摩擦力的考查情况,立足“教—学—评”一致性的新课程理念,提出借助模型构建促进科学思维过程显性化的实践探究.以探究初中科学摩擦力方向为例,通过“毛刷”情境创设—模型建构—应用分析,从单一物体摩擦力方向探究到组合物体摩擦力方向探究的思维显性化实践探索,发展学生的科学思维和实践探究能力.

基于改进萤火虫算法的摩擦模型参数辨识及补偿

针对影响电液伺服系统跟踪性能的非线性摩擦干扰问题,提出了一种改进的萤火虫算法对摩擦模型的参数进行辨识,通过将自适应步长和惯性因子相结合,对丧失移动能力的萤火虫进行随机优化处理,并引入全局并行搜索能力,提高了萤火虫算法的寻优能力。通过函数寻优和参数辨识测试,结果表明改进的萤火虫算法具有更好的寻优性能。最后基于辨识模型搭建摩擦状态观测器,对于仿真中速度零点的抖振现象,引入SIGMOID函数修正摩擦观测器,实验结果表明,经修正的前馈模糊控制器可以有效地抑制摩擦对伺服系统的不利影响,进一步提高伺服系统的跟踪性能。

基于接触摩擦模型汽车盘式制动器场分布分析

汽车制动器制动过程中温度场、应力场等相互耦合,对系统的可靠性具有重要影响。针对应广泛的盘式制动器开展研究,根据制动原理,对影响会制动的关键参数进行分析,并根据车型参数进行验证。采用接触摩擦模型,对制动器的盘、片的热力耦合特性进行分析,建立数学模型,并采用ABAQUS建立仿真模型。选取紧急制动工况,设置制动初速度,获取各种特性参数场的分布规律,并对热力耦合特性进行分析;搭建盘式制动器性能分析台架,选取相同的紧急制动参数,获取整个制动规程中温度变化规律。结果可知:制动盘片接触的过程为非均匀接触,峰值压力为27.47MPa,最高接触应力为123.2MPa,均满足材料强度的使用要求;试验测试结果最高温度为562℃,出现在整个制动过程的结束前0.9s;仿真与试验测试温度变化趋势一致,且误差小于5%,表明摩擦接触模型分析结果是可靠的,为此类研究提供参考。

深部煤岩界面超低摩擦时变模型及能量转化研究

深部煤岩超低摩擦型冲击地压实质是巨量煤岩体沿煤岩界面发生失稳滑动的时变过程,期间煤岩界面摩擦力和摩擦系数随时间变化,同时伴随煤岩界面摩擦力做功向煤岩冲击动能释放能量转化特征.为定量描述煤岩界面能量转化规律,引入量纲分析法,实验测定了煤岩弹性系数、阻尼系数和待定系数,给出了深部煤岩界面摩擦系数表达式.以沈阳红阳三矿为研究对象,通过实验研究和工程实际相结合,定义了冲击动能转化率新指标,验证了所建模型可靠性,定量描述了煤岩界面摩擦力做功向煤岩冲击动能转化规律.研究结果表明:深部煤岩界面摩擦系数随冲击载荷幅值增大而线性降低,随冲击载荷频率增大而线性增加.深部煤岩界面摩擦力的降幅和降低速率变化急剧,当冲击载荷幅值为5000 N、冲击载荷频率为500 Hz时,深部煤岩界面摩擦力降幅为97%、降低速率为38.9 kN/ms~41.38 kN/ms时发生超低摩擦效应.首次从摩擦力降低幅值和降低速率定量表征超低摩擦效应.结合实验和工程实际分析发现,能耗比实验结果均值为0.441,红阳三矿“11.11”冲击地压计算结果为0.488,两者较为接近,进一步证明所建模型合理性.

双阀气动伺服系统的LuGre摩擦模型补偿研究

由于摩擦会引起气动位置伺服系统的动态滞后,尤其是气缸活塞在换向过程中容易产生"平顶"现象,因此需要对气动系统进行摩擦补偿。但是由于气动系统本身的参数不确定性和强非线性会影响摩擦补偿的效果,同时气缸两腔耦合与流量饱和会导致控制系统的自由度不高且能量损失较大。针对以上问题,文中采用表征摩擦动态特性良好的LuGre模型来描述气缸摩擦并提出了一种自适应鲁棒控制器进行摩擦补偿,控制器的自适应部分用于控制参数不确定性,鲁棒控制部分用来处理系统的非线性。同时采用两个三位四通比例阀来提高控制自由度并降低能量耗散。仿真结果表明:该补偿策略有效改善了摩擦带来的动态滞后,提高了系统的响应速度与跟踪精度。

基于胎路动态摩擦行为的沥青路面抗滑性能预估模型研究

为探究路面纹理(宏观纹理、微观纹理)、荷载、速度、滑移率、胎压对沥青路面摩擦系数的影响规律,利用自主研发的轮胎-路面动态摩擦测试系统对成型的9种车辙试件进行动态摩擦试验。结果显示,宏观纹理对沥青路面摩擦系数的影响极其显著,速度、微观纹理、荷载次之,胎压的影响并不显著。其中,宏观纹理作为影响摩擦系数的主要因素,影响着胎路的接触面积和应力集中度,纹理丰富度增加,摩擦系数增大;摩擦系数在初期随滑移率的增大而增大,随后趋于稳定;相反,摩擦系数随速度的增大而变小;胎压对胎路接触时摩擦系数的贡献较小。最后结合BP神经网络建立沥青路面摩擦系数预估模型。

一类含摩擦项的群聚模型的动力学探究

在自然科学中,奇异摄动模型的应用非常广泛.本文的目的是讨论一类带有Rayleigh摩擦项的Cucker-Smale模型,并探究此模型的相关动力学性质,主要应用奇异摄动理论及其动力学系统理论来探究与分析.首先将一类含有小参数的数学模型分解为多个低阶系统,这里需要应用动力系统的时间尺度性,然后讨论低阶系统的相关动力学性质.最终得到了此模型解的有界性,为以后探究此模型的其他动力学性质提供参考.

基于赫兹接触模型的发动机封严涂层碰磨力计算与优化

目的提高航空发动机的推进效率,在压气机机匣上喷涂可以减少叶尖径向间隙的封严涂层。叶尖与涂层之间的碰磨力会导致涂层脱落,且会击伤叶片,需要对碰磨力进行分析。方法采用大气等离子喷涂技术制备4种不同硬度的AlSi-PHB(聚苯酯)封严涂层,通过表面硬度测试、弹性模量测试和高速碰磨试验,分别评价封严涂层的硬度、弹性模量,以及在高速碰磨过程中不同工况下涂层受到的碰磨力;基于赫兹接触模型对叶尖与涂层之间的碰磨力进行计算,通过激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对碰磨后的涂层和叶尖进行分析,同时根据接触面形态特征和温度特征对赫兹模型进行优化。结果碰磨力与涂层的硬度、叶尖转速、叶尖切入速率有关,复杂的接触表面形貌和摩擦升温会导致理论计算值与实验值之间出现偏差。结论通过优化叶尖和涂层的接触系数,同时考虑摩擦升温对涂层弹性模量的影响,可将不同工况下碰磨力计算值与测量值之间的偏差控制在1%~11%,这项研究对于指导航空发动机封严涂层的设计具有重要意义。

燃油介质作动器往复密封摩擦热效应及磨损特性分析

发动机矢量推力作动器采用燃油作为传动介质,燃油的低黏度将使作动器密封接触面处于不良润滑条件,密封件摩擦磨损问题突出。针对燃油介质作动器不同压力、作动速度及油液温度的工作环境,建立往复密封热弹流混合润滑数值仿真模型,分析往复密封接触面摩擦热效应对油膜行为的影响,确定热分析边界条件,计算密封系统的瞬态温度分布。根据热分析结果,对油液黏度及密封区域内的油膜厚度进行修正,考虑密封件润滑条件探究摩擦热效应对密封性能与磨损特性的作用机理,分析不同工况条件对油膜厚度、摩擦力和磨损深度分布的影响,为设计高性能航空密封件奠定理论基础。

基于摩擦和温度修正的Ti-6Al-4V钛合金热变形本构模型建立

Ti-6Al-4V是民航客机应用最广泛的中高强度钛合金,在锻造领域,数值模拟准确性依赖于高准确度的材料模型.本工作基于热压缩模拟方法,在不同变形温度(750、800、850、900和950℃)和应变速率(0.001、0.01、0.1、1和5 s^(-1))下,针对变形量为60%的Ti-6Al-4V合金,考虑鼓度因素影响,对真实应力-真实应变曲线进行了摩擦和温度修正,并进一步构建了该工况条件下的本构模型.对比实验结果,修正后的流变应力值低于实际测量值,且随着应变量和应变速率的提高、变形温度的降低,二者之间的差值也逐渐增大.本工作分别建立了Ti-6Al-4V双曲正弦式以及用Z参数表达的材料本构模型.真实应力应变曲线的摩擦和温度修正对提高材料模型的准确性具有指导意义,同时对提高数值模拟精度具有参考价值.

2021年青海玛多M_(W)7.3地震同震和早期震后断层滑动模型及发震构造摩擦属性

地震同震和早期震后断层滑动是研究发震断层深浅部孕震形态及摩擦性质的重要手段.本文基于雷达干涉测量(InSAR)数据获得了玛多地震同震和早期震后形变场,并反演得到了发震断层的滑动分布模型.研究结果表明同震滑动主要分布在上地壳浅部,并且存在多个滑动亏损区域.发震断层在东端分叉处的倾向与主断裂和西端倾向相反.基于N-SBAS方法获得的震后4.5个月形变场显示,断层近场震中区域的累积形变量达5 cm,远场区域累积形变达2 cm.震后早期余滑分布在断层浅部和深部以及两侧的横向延展区域;部分余滑区域与同震区域重叠.其中,上地壳浅部的余滑达20 cm且填充了同震滑动亏损.时序地震矩显示上地壳浅部区域在震后快速余滑而深部稳定滑动,表明了发震断层区域的复杂摩擦属性.

光电跟踪系统的摩擦模型辨识与补偿策略研究

光电跟踪系统在运行中受到摩擦力矩的影响导致在跟踪过程中产生抖动以及爬坡等现象,严重影响跟踪精度。为提升跟踪精度,结合Stribeck摩擦力矩提出一种最小二乘法与粒子群算法(PSO)结合辨识的方法,建立摩擦模型并使用扰动分离自抗扰(DSADRC)算法进行补偿。首先对转台系统进行建模,分析摩擦对系统的扰动;其次根据Stribeck摩擦模型的特点通过恒转速—力矩实验测得数据,使用最小二乘法与粒子群算法对力矩数据进行辨识,建立起Stribeck模型并将模型等效进系统中;最后使用扰动分离自抗扰控制算法对摩擦模型进行补偿。实验结果表明:最小二乘法与粒子群算法相结合辨识得到的摩擦模型与实测数据之间的平均误差为3.4%,扰动分离自抗扰在单边最大速度误差方面相较于PID控制与经典自抗扰控制分别下降了77.72%和58.78%,在摩擦力矩抑制方面与PID控制和经典自抗扰控制相比分别提升了73.59%和60.59%。

7075铝合金变载荷摩擦模型研究

采用自主设计的摩擦试验机,研究在边界润滑条件下不同载荷对7075铝合金板料摩擦系数的影响,利用ORIGIN拟合软件建立基于载荷摩擦系数的变载荷摩擦模型,结合ABAQUS有限元仿真和实际冲压试验,验证所建模型的有效性。研究结果表明:在2~6N范围内,随着载荷的增加,7075铝合金板料摩擦系数逐渐减小,表面划痕数量和宽度增加,犁沟磨损越发显著;基于变载荷摩擦模型仿真模拟锥形件的厚度更接近于实际冲压锥形件的厚度,验证了该摩擦模型的有效性。

考虑温度影响的机器人关节摩擦模型

为描述连续运转下的温度对串联机器人关节摩擦的影响,提出一种考虑温度影响的关节摩擦模型。该摩擦模型可在无需对温度进行测量或估计的前提下描述关节温度变化对关节摩擦的影响。通过实验测量了机器人关节在不同角速度下连续运转时的摩擦力矩,并基于理论模型对数据进行了拟合。实验结果对比验证了该关节摩擦模型的有效性,且该模型能较为准确地描述连续运转下关节摩擦力矩的变化。

考虑微凸体相互作用与基体变形的结合面静摩擦因数模型

研究推导了更符合实际情况的考虑微凸体相互作用与基体变形的结合面静摩擦因数统计模型。在考虑微凸体相互作用与基体变形的结合面接触载荷模型的基础上,根据结合面静摩擦因数定义推导了考虑微凸体相互作用与基体变形的结合面静摩擦因数统计模型。将实验测得的结合面参数代入所建模型进行仿真,发现考虑微凸体相互作用与基体变形的结合面静摩擦因数大于不考虑微凸体相互作用与基体变形的静摩擦因数;微凸体相互作用与基体变形对静摩擦因数的影响程度随着无量纲法向接触载荷的增大而减小,随着结合面无量纲距离的减小而减小,随着轮廓高度均方根的减小而增大。将所建模型仿真计算结果与静摩擦因数实验结果数据进行了对比分析,结果表明,考虑微凸体相互作用与基体变形的结合面静摩擦因数更接近实验数据,说明了所建模型的正确性。

基于LuGre摩擦模型的两轮自平衡车系统动力学

准确描述轮式机器人系统的运动状态是对其进行轨迹控制的关键,而当驱动轮与地面存在相对滑移或侧滑时,添加非完整约束的动力学描述方法通常会失效。为了得到适用于非结构化环境的轮式机器人动力学模型,本研究以两轮自平衡车为例,为LuGre模型添加摩擦力,以描述驱动轮与地面之间的粘滞-滑移效应;基于虚功率原理,建立包含摩擦力的轮式机器人系统动力学方程,并针对不同驱动力及不同工况条件对系统进行了动力学仿真及分析。仿真结果表明:相比于传统的添加非完整约束,基于LuGre摩擦模型的动力学建模方法可以有效侦测到驱动轮与地面的相对滑移及侧滑状态,在真实工况下反映系统动力学行为方面表现出有效性和优越性,为轮式机器人后续的优化设计及轨迹控制提供理论依据。