Tracking of Labelled Stem Cells Using Molecular MR Imaging in a Mouse Burn Model <i>in Vivo</i>as an Approach to Regenerative Medicine

Therapies based on stem cell transplants offer significant potential in the field of regenerative medicine. Monitoring the fate of the transplanted stem cells in a timely manner is considered one of the main limitations for long-standing success of stem cell transplants. Imaging methods that visualize and track stem cells in vivo non-invasively in real time are helpful towards the development of successful cell transplantation techniques. Novel molecular imaging methods which are non-invasive particularly such as MRI have been of great recent interest. Hence, mouse models which are of clinical relevance have been studied by injecting contrast agents used for labelling cells such as super-paramagnetic iron-oxide (SPIO) nanoparticles for cellular imaging. The MR techniques which can be used to generate positive contrast images have been of much relevance recently for tracking of the labelled cells. Particularly when the off-resonance region in the vicinity of the labeled cells is selectively excited while suppressing the signals from the non-labeled regions by the method of spectral dephasing. Thus, tracking of magnetically labelled cells employing positive contrast in vivo MR imaging methods in a burn mouse model in a non-invasive way has been the scope of this study. The consequences have direct implications for monitoring labeled stem cells at some stage in wound healing. We suggest that our approach can be used in clinical trials in molecular and regenerative medicine.

基于有限时间状态观测器的永磁同步直线电机递归终端滑模控制

针对载荷变化、非线性摩擦、推力波动和外部扰动等不确定性降低永磁同步直线电机位置跟踪性能的问题,提出一种基于有限时间状态观测器的递归终端滑模控制方法。首先,建立考虑有界集总不确定性的直线电机动力学模型。其次,设计快速终端滑模函数和积分滑模函数的递归结构,强制系统直接从滑模面启动,减少了跟踪误差的收敛时间。然后,引入有限时间状态观测器实时估计集总不确定性并前馈补偿到控制率中,提高系统的鲁棒性和减少抖振。接着,利用李雅普诺夫理论分析闭环控制器的稳定性和有限时间收敛性。最后,搭建基于半实物AD5435的实验平台,实验结果验证了所提方法的可行性和优越性。

基于PI-Lead控制的永磁同步电机双环位置伺服系统

为提高位置伺服系统轨迹跟踪精度及极限带宽,该文研究了一种位置-电流双环伺服结构,其位置控制采用结合相位超前环节的比例积分控制器(PI-Lead)。首先,探讨了P-PI-PI和PI-P-PI两种传统三环位置控制结构在轨迹跟踪精度上存在的局限,研究了速度前馈提升精度的机理及问题;然后,证明了PI-Lead双环结构相位超前环节对维持系统稳定的意义,详细分析了低通滤波器对系统性能的影响及其参数设计方法,给出了PI-Lead双环位置伺服系统基于闭环频域指标的参数整定策略;最后,对比分析了双环结构与传统三环结构的特点,推导了三种结构的位置极限带宽。实验结果表明,PI-Lead双环结构无需任何前馈补偿即可基本消除系统动态跟踪误差,并具有更高的位置环极限带宽。此外,由于减少了速度控制环节,其无需速度测量且参数整定更加简单。

永磁直线同步电机的多步虚拟位置预测控制

预测控制是一种通过数学模型对电机未来行为进行预测与调整,以此减小系统时延影响的优化控制方法。系统时延是一种非线性时变扰动,难以被准确估算与补偿,降低了传统位置预测控制应用于直线电机这类响应快速对象时的位置跟踪性能。本文分析了永磁直线同步电机的系统时延来源与影响,在预测模型中引入主动变速系数来降低系统时延以加快电机响应速度,解决了传统预测控制无法进行滚动优化的问题进而提出了一种多步虚拟位置预测控制,实现高性能系统时延补偿。文章对一台医用显微镜用小功率永磁直线同步电机进行仿真和实验,结果表明所提方法能够加快电机动态响应速度,并且在对三角、正弦等不同类型曲线的跟踪中均能够降低系统时延的影响,位置跟踪精度相较传统位置预测控制提高了约20%。

永磁同步电动机位置跟踪系统的连续终端滑模控制优化设计与实验

为使永磁同步电动机系统获得高精度的位置跟踪性能,设计一种改进的连续终端滑模控制策略。该策略用滑模观测器来估计系统干扰,是以永磁同步电动机系统动态模型为基础的连续终端滑模位置控制器;同时基于Lyapunov稳定性理论分析整个闭环系统的稳定性;并通过永磁同步电动机平台进行了实验。结果表明,与经典PID控制和普通连续终端滑模控制相比,所提出的改进连续终端滑模控制方法能够使永磁同步电动机系统获得更高的跟踪精度和更强的抗扰性能。

油气管道中智能机器人跟踪定位关键技术综述

国民经济的持续快速发展对于油气供给提出了更大的需求。油气资源主要依靠管道进行运输,为保证管道运输安全可靠,需定期使用智能机器人对其进行检测。检测过程中要对智能机器人进行跟踪定位以确保知道管道内机器人的实时位置、状态,特别是发生故障如卡堵时的位置。油气管道通常为长距离管道,跟踪定位方式只能采用无缆或无线方式,其中极低频信号对于金属介质等具有良好穿透能力的特点特别适合于管道内智能机器人的跟踪定位。基于极低频磁技术的跟踪定位问题,本质上可以归纳为微弱磁信号的高分辨率探测和微弱瞬态磁信号的实时(快速)检测这两方面的问题。本文总结了油气管道中智能机器人的跟踪定位技术,介绍了国内外基于极低频技术的智能机器人跟踪定位装置;重点阐述了高分辨率磁传感器、微弱瞬态信号实时检测算法两项关键技术的研究现状,并介绍了基于极低频磁信号发射与接收的智能机器人跟踪定位系统的现有工作及未来展望。

用于体内胶囊式遥测系统的电磁跟踪定位方法

提出了基于电磁检测原理的定位方法。该方法在体表布置多个电磁发射线圈,通过胶囊内密封的接收线圈检测所在点的磁感应强度,利用检测值,根据磁感应强度和该点位置坐标之间的函数模型反向求解出位置信息。设计的悬浮式单维接收线圈,能始终保持接收方向的恒定,不仅大大减少了接收线圈和发射线圈维数,也大大降低了求解模型的复杂性,满足了胶囊内严格的空间限制和功耗限制。设计了完整的电磁定位系统,构建了三维实验平台,并开展了38个位置点处的检测,将结果代入定位软件求解后表明,三个坐标方向的定位误差均在4 cm以下,平均定位误差在2 cm以下,小于同类研究的定位误差。

自适应积分反步法永磁同步电机伺服控制器的设计

针对永磁同步电机(PMSM)绕组相电流和转速强耦合特性以及参数的不确定性,利用非线性积分反步法设计了自适应积分反步控制器,在补偿参数不确定性影响的同时,实现了PMSM高性能位置跟踪控制.基于Matlab建立了系统的仿真模型并实施仿真.仿真结果表明,用该方法设计的PMSM控制系统,滤波跟踪误差能以指数规律迅速收敛到零,并且具有很强的抗负载扰动能力.

永磁同步电机无位置传感器运行场路耦合分析

为精确设计基于凸极跟踪的无位置传感器控制系统,在分析高频电压信号激励下永磁同步电机数学模型的基础上,提出一种基于场路耦合法的永磁同步电机无位置传感器控制系统分析与设计新方法。该方法建立在永磁同步电机三维电磁场分析模型和基于转子磁场定向的无位置传感器控制系统模型上,通过场路耦合法进行协同仿真研究,仿真结果可精确反映无位置传感器运行性能和高频电压信号激励下永磁同步电机与控制系统的相互耦合特性。在此基础上建立了与仿真系统完全对应的实验系统,实验结果与仿真结果一致,表明该分析设计方法的正确性和可实现性。

基于矩角控制的永磁同步电动机位置控制系统

从直接转矩和矢量控制的优缺点分析入手,提出了以矩角为核心的控制策略,分析了电机的矩角特性和定位特性。在矩角控制的基础上提出了永磁同步电动机的位置控制方案,并用仿真和实验曲线证明其定位性能。此外,为避免三相电流控制时的相互影响,本文以电流矢量作为直接控制对象,通过预测下一时刻电流误差大小,选取适当电压矢量,从而减小了电流波动,获得很好的电流跟踪性能。

胶囊内窥镜位置方向磁场定位技术的研究

胶囊内窥镜是极有潜力的新型肠胃道检查手段,但是目前的临床胶囊内窥镜产品还存在一些问题需要解决,其准确定位跟踪是关键之一。在各种可能的定位方法中,利用磁体的定位技术具有明显的优势:无需供电、占用胶囊空间小、可以连续跟踪、实时性强和无副作用。本文重点讨论基于磁场传感器阵列实现对胶囊中磁体进行定位的方法,通过算法和系统的优化设计,实现了以磁偶极子为数学模型的3维位置和2维方向实时定位跟踪。为了消除人体运动对胶囊跟踪的干扰影响,本文提出对胶囊和参考目标磁体同时定位的方法,也提出了对胶囊的3维位置和3维方向的全6维定位算法以开展三维重建和病变组织的准确测算。实验结果证明本系统可对胶囊内窥镜实现2～3mm精度的定位跟踪。

基于反推的永磁同步电动机伺服系统的位置跟踪控制

永磁同步电动机工作性能优越,在当前交流伺服系统的驱动控制当中起着越来越重要的作用。为了实现永磁同步电动机的精确位置跟踪,把一种新颖非线性控制方法Backstepping应用于永磁同步电动机伺服系统控制器的设计。Backstepping控制器的设计以保证系统的全局一致渐近稳定为原则,因此该控制器不但可以保证系统的全局一致渐近稳定,而且系统具有快速跟踪,定位精确的特点。系统的设计能够有效降低转矩变化对位置跟踪性能的影响。最后通过Matlab仿真验证了系统设计的有效性和可行性。

无轴承永磁同步电机增磁调压转速控制策略

无轴承永磁同步电机控制系统存在由多因素引起的转矩脉动,且空载或轻载运行时电流跟踪性能差。基于旋转编码器,给出转子位置角可靠检测方法及转速优化计算公式。通过分析永磁同步电机数学模型,同时考虑无轴承电机负载效应,提出增磁控制与电压调节相结合对电机转速进行控制的策略,并给出其优化实现方法。实验结果表明,采用该控制策略,无轴承永磁同步电机的电机绕组电流脉动程度得到减弱,转速稳定性好、控制精度高,同时可改善其悬浮性能,是一种简捷、有效的无轴承永磁同步电机转速控制策略。

磁悬浮离心式压缩机的推力轴承喘振控制

压缩机等流体机械在流量减少到一定程度时会发生喘振。针对传统喘振控制方法结构复杂、响应慢、存在功率损失等缺点,提出了一种新的喘振控制方法。通过磁悬浮推力轴承改变压缩机叶轮的叶顶与压缩机蜗壳之间的叶尖间隙,进行喘振控制。通过正弦和方波参考信号跟踪,采用悬浮于不同位置的干扰信号扫频试验,验证了基于控制算法的磁悬浮控制能够满足改变叶尖间隙所需要的位置跟踪性能和悬浮于不同位置的稳定性。设计了基于质量流量反馈控制和基于输出压力反馈控制的控制策略,并进行仿真验证。结果表明:变叶尖间隙喘振控制能够有效起到喘振抑制作用,扩大压缩机稳定运行范围,为磁悬浮流体机械的喘振控制开辟了一个新的方向。

有机正电胶聚合物钻井液研制与应用

分析了小井眼侧钻水平井对钻井液的要求。以新研制的有机正电胶为主剂 ,对聚合物包被剂、防塌剂、降滤失剂进行了优选实验 ,在此基础上研制了有机正电胶聚合物钻井液完井液。对该钻井液体系的抑制性、泥饼形成能力和控制滤失性能、流变性和润滑性以及对油气层的保护性能进行了评价实验 ,研究了该钻井液体系的作用机理。在侧平苏 185井对该体系进行的现场试验表明 ,在整个钻进过程中 ,井壁稳定 ,井径规则 ,全井起、下钻畅通无阻 ,井下安全 ,电测井、下套管、固井作业顺利。室内实验和现场应用均表明 ,该钻井液兼有常规正电胶钻井液和聚合物钻井液的优点 :具有独特的流变性及优良的润滑性 ;能抑制岩屑分散 ,能起到稳定井壁的作用 ;具有显著的保护油气层的特性 ,能够满足小井眼侧钻水平井的需要。

基于激光实时跟踪测量的航天器编队相对位置测量方法

为了解决编队航天器间相对位置的高精度测量,实现航天器编队自主飞行,提出基于激光实时跟踪测量航天器间相对位置的测量定位方法,建立了航天器间相对位置测量的数学模型。该测量方法在直角坐标系下用Hill方程建立编队航天器相对运动模型,得出航天器相对运动轨迹的解析解,在极坐标系下建立航天器间相对位置的激光跟踪测量模型,将激光跟踪测量系统的测量值转换到直角坐标系,对转换误差进行去偏差补偿,利用卡尔曼滤波方法进行数据处理,以提高航天器间的相对位置测量精度。仿真结果表明,若对于测距精度为5厘米,测角精度为0.1度的激光跟踪测量系统,采用去偏差转换测量卡尔曼滤波方法,航天器空间相对位置精度可达到厘米量级。

基于带通频率跟踪滤波器的永磁同步电机转子位置与速度估算

在电动助力车用永磁同步电机(PMSM)控制系统中,针对PMSM在正常运行过程中发生霍尔位置传感器安装位置偏移的问题,提出基于带通频率跟踪滤波器的电机转子位置与速度估算方法。该算法将三相霍尔信号通过坐标变换转换为霍尔矢量,通过带通频率跟踪滤波器与锁相环提取霍尔矢量中的电机转子位置信息,以实现在霍尔位置传感器安装位置偏移情况下,对永磁同步电机转子位置与速度信息的正确估算。通过实验验证,该算法有效地减小了在霍尔位置传感器发生安装位置偏移时电机转速与电流的波动,提高了控制系统的可靠性和稳定性。

零速和低速下永磁同步电机转子位置估测方法

基于转子凸极追踪的思想,在永磁同步电机定子绕组注入高频电压,对提取的电流进行坐标变换,获得转子位置信息。将该信息送入特别设计的转子位置估测器中,可以得到转子的精确位置。设计转子位置估测器的结构和算法,对其进行仿真研究,仿真结果证明了该方法的正确性。

基于滑模轮廓控制器的直线电机精密运动平台轨迹跟踪控制

针对直线电机驱动的精密数控X-Y平台在加工非线性曲线轨迹时,存在轮廓误差精度与稳定性差的问题,提出了基于超螺旋滑模的轮廓控制与基于二次型最优化的位置控制相结合的控制策略。轮廓控制器选用等效误差量为状态变量进行控制器设计,使轮廓误差精度问题转化为等效误差控制问题。位置控制器利用二次型最优化系统频域因子分解的设计方法,不仅满足了位置跟踪的抗干扰要求而且使控制器设计解析化。仿真与实验表明:在非线性周期扰动与负载变化扰动下,所提出的创新性方法对于高精度轮廓加工具有良好的可行性和有效性。

一种永磁同步电机非光滑控制器设计

针对参数摄动、外部扰动等因素对永磁同步电机运行性能的影响,应用非光滑控制方法设计了连续的非线性位置跟踪控制器。根据李亚普诺夫稳定性理论,证明了所设计控制器能够实现闭环系统的有限时间稳定性,并通过仿真验证了控制器的有效性。对所设计的控制器进行了数值仿真,并与传统控制器进行响应性能和抗扰动性能对比。仿真结果表明,所设计的非光滑控制器可以实现电机系统有限时间内稳定,具有良好的鲁棒性和抗干扰效果。