空间站宏微机械臂动力学建模与零反作用控制

为满足空间站宏微机械臂级联在一起运动的任务需求,文章提出一种简化的动力学建模方法。首先利用雅克比矩阵将柔性关节宏机械臂等效为柔性基座,根据柔性基座、刚性微机械臂以及两者之间的耦合作用推导出柔性基座机械臂动力学模型。基于机械臂系统的动力学冗余特性,采用零反作用运动控制法使柔性基座与微机械臂之间运动解耦。文中数学模型的仿真结果与商业软件一致,表明了柔性基座机械臂模型的正确性。另外,将零反作用轨迹跟踪控制法成功应用于该模型,使得微机械臂末端在跟踪期望轨迹的同时完全不会激起基座的弹性变形。

微化工系统内多相流动及其传递反应性能研究进展

微化工系统是化学工程学科的研究热点之一,鉴于其良好的传递和反应特性,在多相反应和分离过程中受到了广泛的关注。目前关于微化工系统的研究主要集中在新型微分散技术、微介观尺度混合、多相传递性能以及反应过程调控等方面,近年来取得了显著的进展。本文主要针对微化工系统研究中的关键科学问题进行综述,探讨微化工系统的研究进展,并对其未来的发展方向进行了展望。

Y型微混合器结构与工作参数在两相脉动混合中的优化

为提高微尺度下不同反应物的混合效率,针对Y型脉动微混合器结构与工作参数对其混合性能的影响展开优化研究。采用仿真分析对微混合器流道截面尺寸、入口夹角、入口流量及脉动频率进行了优化分析,优选出最佳结构和工作参数,并以此制作试验用系统样机;利用化学反应探针法,通过检测可控合成后的金纳米粒子大小及分布情况,综合评估其混合性能。试验结果表明:Y型脉动微混合器的截面尺寸、流道夹角在入口流量及工作频率一定的条件下存在一个最优值,入口流量及工作频率是一对相互影响的重要工作参数,一定的流量对应一个最佳混合频率。

数字核酸扩增检测技术的研究与应用进展

近年来,微纳尺度流体控制技术由于具备实现多相、多步和平行反应的优势,已成为传统分析手段的首选的补充和替代方法。其与核酸扩增方法的完美结合,有效推动了数字核酸扩增检测(Digital nucleic acid detection,dN AD)技术的建立与发展。作为可实现单分子水平检测的分析方法,dN AD技术已成为分子诊断领域重要的组成部分。本文回顾了dN AD技术的发展历程,阐述了其检测原理,以及相比于传统方法的优势,对其最新研究与应用进展进行了综述,并对其未来的发展进行了展望。

微反应槽PCR芯片阵列前馈-串级控制系统

设计了内部不含温度传感元件、加热元件的低成本微反应槽聚合酶链式反应(PCR)芯片,研制了宏观集中控制与微观分散控制有机结合的芯片阵列温度控制系统。宏观集中控制装置以水为传热媒质,通过特制换热器给芯片提供聚合酶反应所需的基本温度;在柔性印刷电路板上形成与芯片阵列对应的微型加热器阵列,针对各芯片进行分散的温度补偿。采用前馈-串级控制策略实现微加热器阵列与换热器最佳配合,共同完成各芯片温度的快速、精确控制。

基于STM8S微控制器步进驱动器的设计

微型轴承加工磨床所使用的横向进给,主要采用三相反应式步进电机75BF003,本文在分析使用环境的基础上,根据三相反应式步进电机的控制规律,深入研究步进电机微步距控制技术,并选取合适的绕组电流波形及相关数学模型,充分利用微控制器设计技术,在硬件设计、软件设计、提高系统可靠性等方面作了一些探索,并设计出控制精度高、运行稳定性好、维护方便的细分控制步进驱动器。

微小卫星反作用飞轮控制方法研究

将反作用飞轮作为执行机构,用于微小卫星的高精度三轴稳定。根据卫星姿态运动学和动力学模型,提出采用反作用飞轮的控制算法,并证明了该控制算法的稳定性。最后对该控制算法进行了计算机仿真。结果表明,采用该控制方式的卫星能迅速实现姿态捕获,卫星稳态姿控精度非常高(圆轨道卫星的姿态稳定精度可达0.004°)。

微化工技术在炸药制备中的应用研究进展

微化工技术基于微尺度下流动可控及混合、传递高效的特点,是实现化工过程绿色、安全、高效的重要途径之一。国内通过微化工技术合成了1-甲基-4,5-二硝基咪唑、3,4-二硝基吡啶、硝基胍、二硝基萘、硝化二乙二醇、硝化三乙二醇、三羟甲基乙烷三硝酸酯、1,2-丙二醇二硝酸酯、硝酸异辛酯等炸药和含能助剂,制备了CL-20微球和硝化棉基球形发射药;采用了内交叉趾并联多层化式HPIMM微混合器、玻璃微通道反应器、G1型脉冲式混合微反应器、芯片式微反应器、SIMM微反应器等不锈钢或玻璃材质微通道反应器,实现了物料的高效混合传递,提高了反应效率和过程安全性。

反作用轮主被动隔振器的复合控制研究

反作用轮的微振动会对高精度成像载荷产生不利影响,利用隔振器进行隔振是解决该问题的有效途径.针对基于压电堆的主被动反作用轮隔振器,本文为主动隔振级设计内、外环的复合控制系统.内环采用PI控制器,补偿压电堆轴向位移输出的迟滞非线性;外环采用由解耦器与模型匹配H∞控制器串联而成输出反馈控制器,通过提高闭环系统的阻尼,抑制三个方向的扰动加速度输出;以反作用轮稳速、升速两种工况为例,通过实验验证主动隔振方案的有效性.相比于被动隔振.实验结果表明:当转速为1 500 rpm和3 000 rpm时,扰动输出进一步衰减约20%;升速工况下,三向加速度输出能量密度最大的分量,分别衰减17. 4%、21. 1%和11. 2%.

微型反作用飞轮速度估计与控制策略研究

为了满足皮纳卫星、立方星的姿态控制精度要求,提高微型反作用飞轮控制精度,基于开关式霍尔元件,设计测速与控制总体方案,提出一种将变分频T法与带速度切换迟滞环的滑动均值滤波相结合的速度估计方法,提高测速精度,并采用积分分离的离散PID算法防止控制饱和.结果表明:速度控制的最大误差≤1.5%,平均误差≤0.4‰,误差方差≈0.25.2016年6月25日,该飞轮随世界首颗12U立方星"翱翔之星"搭载"长征7号"发射入轨,实现卫星三轴稳定,在轨服役99d直到卫星坠入大气层,圆满完成任务.地面测试与在轨运行结果表明,所采用的方案有效可行,速度估计与控制算法能够满足卫星姿态控制系统的任务需求.

飞轮姿控微小卫星控制方法研究

基于航天器姿态动力学模型,对三轴稳定飞轮姿控微小卫星控制方法进行研究。不考虑解耦运算,采用改进的PD控制,以期望目标姿态角和角速度函数作为输入,飞轮角加速度作为输出,在每个通道上分别加入该控制器,实现对小卫星姿态的有效控制。仿真结果表明:该法对干扰抑制明显、对系统误差不敏感,响应过程快速,稳态精度较高(可达1×10-4 rad),应用时便于星载计算机处理,简单高效。

新型自动控制微型反应装置的研制

文章介绍了新型微型反应装置的设计理念及基本构成,阐述了反应炉和控制系统的设计。

硫化锰微晶简易可控合成与表征

以氯化锰(MnCl 2·4H 2O)和硫化钠(Na 2S·9H 2O)为原料,采用水热法在不同的反应温度下成功得到了硫化锰微晶。产物经X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪和激光共聚焦显微拉曼光谱仪测试表征后表明,水热反应温度对MnS的晶型影响很大,随着水热反应温度的升高,产物将从γ-MnS向α-MnS转变。200℃条件下通过水热法合成了形貌均一的八面体α-MnS。

基于安全屏障模型的试验操作风险管控

为预防催化剂微反评价试验安全事故的发生,基于瑞士奶酪模型构建包含设备、人员和环境多因素防御屏障的立体安全屏障模型,该模型具有耗散结构特征和突变特征;探讨典型催化剂微反评价试验操作过程中设备、人员和环境3类防御屏障的缺陷和漏洞,分析催化剂评价试验操作失误的原因,发现设备取样口设计不合理,安全操作规程不完善、人员操作执行不到位,取样环境狭窄等缺陷为主要因素。结合管理类因素给出减少3类防御屏障缺陷和提升屏障质量的措施。研究结果表明:多因素立体安全屏障模型可以用于催化剂微反评价试验操作过程的安全风险识别和管控,利用该模型分析安全事故和安全事件,可以识别评价试验操作过程的安全风险,提升催化剂评价试验运行水平。

基于COTS器件的纳级卫星反作用飞轮的设计

针对纳级卫星的任务需求,设计了一种基于商用货架器件(commercial off the shelf components、COTS)、模块化的低成本反作用飞轮方案。采用非密闭式结构,无刷电机驱动轮缘式轮盘,两者之间振动模态分析结果表明不存在共振问题;控制器采用积分分离控制算法,基于超低功耗处理器捕获霍尔信号测速,驱动MOSFET桥换相。所研制飞轮成功通过了地面性能与环境试验测试,实测结果:重量63 g,尺寸/mm为36×36×28,最大转速9 000 r/min,最大角动量≥5.5 m Nms,输出力矩为≥0.2 m Nm,功耗≤500 mW。2016年6月25日,该飞轮随世界首颗12U立方星"翱翔之星"即西北工业大学首颗卫星,搭载"长征7号"发射入轨,在轨服役99天直到卫星坠入大气层,工作状态良好。地面测试与飞行验证结果均表明:基于COTS的飞轮设计方案有效可行,满足卫星任务需求。

含氟羟基磷灰石涂层在正畸微种植中的应用

目的分析含氟羟基磷灰石涂层对正畸微种植体骨结合及周围炎的影响。方法选取上海市静安区牙病防治所口腔科2018年7月-2020年2月期间收治的错颌畸形患者82例,随机分组,对照组采用钛合金正畸微种植体支抗治疗,试验组采用含氟羟基磷灰石涂层(fluorine-containing hydroxyapatite coating,FHA)钛合金正畸微种植体治疗,对比两组临床疗效。结果干预后,试验组完成矫正的时间、不良反应发生率显著低于对照组(P<0.05);试验组骨结合状况、白细胞介素-6(IL-6),白细胞介素-8(IL-8),肿瘤坏死因子-α(TNF-α)水平显著优于对照组(P<0.05)。结论在错颌畸形治疗中应用FHA的钛合金正畸微种植体治疗效果确切,骨组织相容性好,且降低炎性反应,安全性高。

球状FeCo纳米合金制备及氧析出性能研究

Co与过渡金属合金化是提高析氧催化剂反应活性的一种有效策略.Co与同周期的Fe元素合金化,其电子微扰作用有利于增强Co活性中心的析氧效果.本研究采用电沉积法制备Fe_(0.5)Co_(0.5)合金,分析其微观形貌、成分、结构和折氧性能,研究前驱溶液配比浓度与最终催化剂性能的关系.通过表面微观调控,Fe_(0.5)Co_(0.5)合金在0.1 mol/L KOH溶液中的过电位为345.3 m V,塔菲尔斜率为114 m V/dec,极大地提升了单质Co的析氧催化剂反应动力学活性.其耐久性测试结果表明,经过7 200 s的长时应用后其电流密度仍然高达5.2 m A/cm~2.

土壤环境微界面过程与污染控制

土壤环境微界面是土壤组分(矿物和有机质)、植物根系、微生物等微界面的集合体和动态变化的连续体.土壤胶体微界面可理解为土壤固/液界面的双电层结构.这些动态变化的异质微界面,按其表面结构特点可分为硅氧烷型表面、水合氧化物型表面和有机物表面.环境污染物在土壤胶体微界面的迁移转化是污染物在土壤固-液界面反应的动态平衡过程,包括吸附/解吸、沉淀/溶解、络合/螯合、氧化/还原等反应.植物根际是植物与土壤组分和微生物相互作用的活跃区域,根际微界面决定着污染物向植物根系的运输、植物吸收及转运,为污染物经土壤向食物链传递的主要通道.根际微生物在重金属离子的吸附和氧化、还原、转化,以及有机污染物的降解和转化中起重要作用.这些异质微界面相互关联、相互作用,在土壤环境中构成微界面的连续体,决定着污染物在土壤环境中的赋存形态、生物有效性和向其它环境介质(如水体和植物)的迁移,因而在土壤污染控制和污染土壤修复中具有特别重要的意义.土壤环境微界面过程的研究已成为环境科学的研究前沿,值得引起土壤环境科学工作者的重视,并进行系统而深入的研究.

半导体光催化分解水的析氢效率研究

光催化水制氢是太阳能向氢能转化的有效途径,在清洁能源利用方面具有较大的潜力。光催化产氢过程主要包括光生电子和空穴对的产生、迁移以及在表面活性位点的氧化还原反应,在此过程中由于电子-空穴对的复合以及催化剂的结构和表面活性位点的局限,导致电子和空穴不能完全迁移到催化剂表面并参与氧化还原反应,从而降低了析氢效率。因此本文以抑制光生电子-空穴对复合及增加表面活性位点为目的,从调控催化剂微观特性和外在属性两方面入手,分析总结了目前常见的半导体催化剂粒径、形貌、晶面、表面活性位点调控手段以及异质结构建和助催化剂负载的方法,探究了上述因素对催化剂析氢效率的影响途径和方式,从中归纳出提升析氢效率的办法。最后对光催化制氢的未来研究方向进行了展望,希望以此为光催化产氢效率的提高提供借鉴。

水固液微界面氧化还原反应过程与污染物控制研究

本文介绍了3个反应体系,包括铁锰复合氧化物氧化吸附除砷体系、铁氧化物包覆零价铁光芬顿催化和负载型多价态锰氧化物臭氧催化体系,通过固液微界面不同的氧化还原反应,实现了对水中砷和难降解有机污染物的高效去除.重点介绍了不同氧化还原反应对污染物转移转化的作用机制,说明了水体中固液微界面氧化还原反应,对污染物的转移转化起着重要作用.