人才培养和技术创新发展如何实现协同效应——以北京精密机电控制设备研究所精密传动机构团队为例

党的二十大报告指出,科技是第一生产力,人才是第一资源,创新是第一动力。北京精密机电控制设备研究所作为中国航天伺服技术的开创者、引领者,持续实施人才强企战略,在体制机制上不断创新突破。研究所精密传动机构团队自2012年成立以来,立足于高性能机电伺服技术对行星滚柱丝杠的需求,从零起步,历经技术探索、关键技术攻关。

新起点 新征程 新超越——北京精密机电控制设备研究所所厂联合10周年暨伺服专业发展50周年

2010年5月28日是一个载人航天伺服史册的日子，北京精密机电控制设备研究所（中国运载火箭技术研究院第十八研究所）迎来了所厂联合10周年暨伺服专业发展50周年的重要时刻。有着50年辉煌历史的航天伺服专业及10年来从联合、融合走向和谐发展的北京精密机电控制设备研究所又一次站到了新的起点之上。

基于干扰观测器的机电伺服系统PI控制策略

空气舵机电伺服系统的主要任务是接收控制指令,并驱动负载按指令角度摆动,在各类航空航天飞行器中具有越来越广泛的应用价值。然而在运行过程中存在的未知干扰给机电伺服系统高精度控制带来了巨大挑战。针对这一问题,提出基于干扰补偿的空气舵机伺服系统控制策略。首先进行空气舵机电伺服系统模型分析,其次运用径向基函数设计神经网络的状态观测器,将不可测量的舵面角度用估计值替代进行反馈控制,最后应用Lyapunov方法分析了有限时间收敛条件。仿真结果表明:与传统电机角度反馈相比,所提出的控制策略使空气舵机电伺服系统的稳态误差减少97%以上。

基于粒子群算法的数字控制伺服系统离线参数自寻优方法研究

由于伺服阀小信号流量特性存在一定散布,电液伺服系统的控制参数需要进行匹配调试,提出了一种基于粒子群算法的电液伺服系统控制参数离线自寻优方法,目标特性由控制系统任务书和人工调试结果确定,参数寻优范围根据伺服系统稳定性分析结果和批产工艺数据包络确定,寻优计算时间约为100~240 s。与人工调试相比,可以大幅提高电液伺服系统控制参数的批产调试效率。

航天机电伺服组合变阻尼滑模控制技术研究

航天机电伺服系统的任务载荷复杂,尤其以摩擦力矩为主要力矩形式的喷管负载稳定性差,导致伺服控制性能出现较大的测试偏差。针对以上问题,推导了航天机电伺服系统带载数学模型,采用位置、转速双环滑模变结构控制策略以提升系统鲁棒性和抗扰能力。其次,为了优化系统动态响应性能,在传统指数型滑模趋近律的基础上,提出一种组合变阻尼滑模趋近律。仿真结果表明,所提出的组合变阻尼滑模控制算法具有更短的趋近时间和更小的抖振幅度,动态过渡过程更加平滑,进一步缓解了系统调节时间与超调量的矛盾,并且明显改善了系统频域性能,有效提升了系统频宽及相频特性的一致性。

提高大功率机电静压伺服机构动静态性能控制算法研究

提出融合陷波器、非线性PID和前馈的提高大功率机电静压伺服机构(Electro-Hydrostatic Actuator,EHA)动静态性能的控制算法。陷波器用于抑制负载结构谐振。在此基础上,设计非线性PID和前馈算法,研制了样机,解决了纯比例控制器难以兼顾静态精度、谐振峰值和相位的问题;建立了数学模型,研制样机,并进行了系统仿真和试验研究。结果表明:采用惯性模拟负载台(转动惯量1000kg·m^2),进行0.1°频率特性测试,相比以往算法,在负载结构抑制效果相当的情况下,跟踪精度提高一倍,-45°相频带宽从18.5rad/s扩展至25rad/s,验证了机电静压伺服机构实现大推力火箭发动机高性能摇摆控制的可行性。

机电伺服机构模糊变结构控制技术研究

本文研究了基于永磁同步伺服电机的机电伺服机构数学模型,开发了一种对参数摄动不敏感、不存在抖振现象的模糊变结构控制算法。并以某型号固体发动机喷管负载为控制对象,电流环采用PI控制,位置环采用模糊变结构控制,对模糊变结构控制器性能进行了仿真分析与实验研究,结果表明,该控制策略具有良好的响应速度并能快速准确的跟踪位置指令。

电动静液作动器的非线性变阻尼积分滑模控制

对于电动静液作动器(EHA),传统滑模控制器存在加速度信息难以获取,参数不易整定和控制信号抖振等问题,从而造成控制器很难应用于实际。针对以上问题,利用奇异摄动理论对EHA数学模型进行合理的降阶,从而使控制器设计避免了使用加速度信息。在此基础上,利用降阶模型设计了一种新型非线性变阻尼积分滑模控制器(NSMC),该控制器可根据位置控制误差实现系统阻尼比由欠阻尼到过阻尼的自适应调节,能有效提高位置阶跃调节性能。设计了一种基于滤波器的不确定项估计器对EHA中存在的参数不确定性和外部扰动进行实时估计并补偿。滑模面积分项的引入和不确定项估计器的使用,一方面使控制器中无需使用切换函数,实现了EHA的无抖振滑模控制,另一方面使系统整个动态过程完全表现为滑动模态,从而可根据EHA控制指标直接整定滑模面参数,大大简化了参数整定过程。同时利用Lyapunov稳定性理论对整个闭环系统和滑模面的稳定性进行了详细分析。分别与PI控制器、传统滑模控制器(SMC)和传统变阻尼滑模控制器(DVSMC)进行了详细的仿真分析比较,仿真结果表明NSMC能有效提高EHA位置跟踪性能和增强对参数不确定性和外部扰动的鲁棒性。

节流式燃/氧分离组合固体发动机推力性能调节数值研究

节流式燃/氧分离组合固体发动机将燃烧室分为富燃燃烧室和富氧燃烧室,采用富燃固体推进剂和富氧固体推进剂串联装填的形式,在两个燃烧室中间增加节流阀,通过调节节流阀开度实现推力调节。利用商业软件对节流式燃/氧分离组合固体发动机在节流阀流道半径不同时的工作状态进行模拟,研究节流式燃/氧分离组合固体发动机的工作特性,获得节流式燃/氧分离组合固体发动机燃气流动和掺混特征,揭示节流式燃/氧分离组合固体发动机推力调节机理以及节流阀流道半径对节流式燃/氧分离组合固体发动机燃烧效率的影响规律。研究发现:节流阀流道开度(即节流阀流道半径R)减小可增大发动机推力;随着节流阀开度的减小,节流阀出口燃气马赫数随之增大,而发动机燃烧效率却出现先增大后减小的规律,当节流阀出口燃气流动达到临界状态时发动机燃烧效率出现最大值。

节流式燃/氧分离组合固体火箭发动机动态工作过程数值研究

利用商业软件ANSYS Fluent对节流式燃/氧分离组合固体火箭发动机动态工作过程进行数值研究,揭示该发动机基本动态工作过程以及节流阀作动速度的影响。结果表明,节流阀作动会导致发动机富氧燃烧室压强、节流阀出口质量流量以及发动机推力出现负调现象;节流阀作动速度差异不影响发动机调节后的稳定工作状态;随着节流阀作动速度增大,发动机达到稳定工作状态所需时间逐渐缩短,实现性能调控的响应速度增快,但发动机各参数负调量也随之增大,从而增加了发动机发生振动的风险。

机电伺服系统改进级联ADRC控制方法

针对航天机电伺服系统由于负载特性变化导致传统PID控制效果下降的问题,将自抗扰控制(ADRC)方法应用于航天伺服系统。根据航天伺服机构特点建立数学模型,针对伺服系统串级系统的特性,提出了一种改进的级联ADRC控制方法。通过3个扩张状态观测器分别估计补偿3个子系统的未知干扰,降低了系统的复杂程度,有效提高了系统电流环和转速环的系统控制性能。仿真结果表明,相较于常规的位置环ADRC控制方法,级联ADRC控制方法一定程度上降低了参数整定的难度,还能有效提升系统的抗干扰能力和系统的控制性能。

基于反步自适应的多余度电静压伺服系统容错控制研究

为满足运载火箭高可靠性应用需求,针对多余度电静压伺服系统(Electro-Hydrostatic Actuator,EHA)提出了基于反步自适应的容错控制策略,建立了数学模型及状态空间方程,采用动态面方法降低了算法复杂性,实现了在冗余动力通道局部失效工况下的主动容错控制,进行了仿真分析和试验验证。结果表明,相比于非线性PID控制,基于反步自适应容错控制策略可显著降低系统在一路动力通道失效工况下的跟踪误差,提高系统控制性能,为未来工程应用奠定基础。

伺服加载系统非线性建模及间隙补偿控制研究

分析机械间隙误差对于伺服加载系统加载液压缸位移、负载压力和流量的影响,提出了伺服加载系统机械间隙误差的补偿控制方法,建立了机械间隙误差影响下的伺服加载系统非线性模型。通过Simulink系统仿真和系统实验,对伺服加载系统非线性模型和机械间隙补偿方法的精确性进行验证。实验结果显示:低航速小负载工况时的输出负载力精度误差由18%降低至10%,高航速大负载工况时的输出负载力精度误差由21%降低至8%,被测产品伺服机构在全行程内的输出负载力滞后误差基本消除。

新时代研产一体研究所组织管理体系构建与实施

为完善企业现代化治理结构,提升综合治理水平,本文以研产一体研究所为对象,首先正向设计全面高质量发展所需的业务能力,并在此基础上形成组织机构和业务模式方面的改革任务包;其次通过实施组织机构调整或业务流程再造各项具体工作,实现以流程、智能制造等为核心的新模式,推进型号/产品双驱动及大研发创新体系的建立;最终实现产品供给能力、精细经营能力、市场开拓能力、技术创新能力和高效运营能力等方面的全面提升。

基于流程管理的研究所业务全景构建方法研究与实践

业务流程管理是企业管理体系建设的基础,起到关联各类管理要素的纽带作用。流程管理又称业务流程管理或企业流程管理,是20世纪90年代最早提出并用于企业管理的新型管理思想,是一种以规范的、构造端到端的、卓越的业务流程为中心,以持续地提高组织业务绩效为目的的系统化管理方法。虽然目前对流程管理还没有明确的统一定义,但是从各类说法中都可发现,流程管理主要就是强调顾客需求导向以及业务活动各环节的紧密衔接和融合贯通,它对企业效率效益与客户满意度的提升发挥着非常重要的作用。

火箭推力矢量控制伺服系统飞行数据高频特征复原方法

针对运载火箭伺服系统飞行数据存在高频信息缺失的问题,提出了一种基于小波多分辨率分析的高频特征复原方法。首先,通过小波多分辨率分析提取伺服系统地面热试车试验数据的特征;然后,利用摆角速度信号与高频特征之间的关联性,基于提出的特征匹配方法对飞行数据高频特征进行预测;最后,对信号线性叠加以实现特征融合,从而完成恢复飞行数据高频信息的流程。试验验证表明,数据复原结果与基准数据相比具有一致的换向频率规律,所提出的特征复原方法能够有效恢复飞行数据缺失的高频特征,为获取航天伺服产品真实飞行工作剖面特征提供了数据支持。

高压煤油恒速液动机转子倾覆现象的理论研究

介绍了高压煤油恒速液动机(简称“液动机”)的转子倾覆现象,分析了机理,并按照发生的原因将倾覆现象分为主动倾覆和被动倾覆。重点研究了主动倾覆,基于对转子柱塞组件的受力分析,提出了倾覆条件的数学表达,引入了无量纲的倾覆安全系数,以定量表达倾覆风险。分析了被动倾覆的原因,并提出了解决被动倾覆的方法。在产品设计中应避免出现主动倾覆和被动倾覆。

PCHE叶轮整流效果数值模拟研究

PCHE入口处有着成千上万的微型通道,流体进入通道时存在流量分配不均匀的问题,导致PCHE整体换热性能差,本文提出了一种叶轮型整流器来提高流量的均匀性分配。通过数值模拟的方法,以流体流量不均匀系数α和压降P_(l)作为性能指标进行了参数化对比,分析了整流器结构参数(中心圆环D、叶片的数量N和叶片螺距P)对入口封头内流场的影响。研究结果表明,叶轮对中心集中流量的破坏、诱导产生的多个涡流对流场均匀发展起到关键性作用,中心圆环直径越小,螺距越小时,叶轮的整流效果更好,四叶片叶轮由于其几何对称性,引导流体更均匀的分布在流道。

有限空间内电子芯片风冷系统的优化研究

芯片的冷却问题已经成为限制电子设备发展的技术瓶颈之一。本文通过数值模拟,对某人脸识别电子芯片在有限空间内的散热问题展开优化研究。研究芯片温升与轴流风扇流量、进风面积、芯片工作功率的关系,并通过多目标优化得到更加符合当前目标需求的芯片及风扇的工作参数。研究结果表明,轴流风扇流量从0增加到9CFM范围内,芯片温升下降约56%;风扇进风面积从0.031 m^(2)增大到0.196 m^(2),芯片温升上升13%;随着芯片功率增加,芯片稳定工作的温升呈线性提升。通过多目标优化设计,得到的芯片及风扇的工作参数为P=5.87 W,Q=1.056 CFM,A=0.041 m^(2)。

长寿命低挥发性润滑脂的性能研究

针对航空航天装备苛刻工况环境对润滑脂性能的更高要求,分别制备了酰胺钠基润滑脂和全氟聚醚润滑脂,并将二者混合后加入抗氧剂、防锈剂、极压抗磨剂等添加剂,制备得到长寿命低挥发润滑脂(简称长寿低挥脂);研究了商品酰胺皂基润滑脂(简称商品酰胺脂)和长寿低挥脂的理化性能、润滑性能、轴承寿命及流变学等性能。结果表明:与商品酰胺脂比,长寿低挥脂的高温损失更小、钢网分油率更低,说明其具有更优的挥发性能和胶体安定性;长寿低挥脂四球试验钢球的磨斑直径为0.46mm,远低于前者的1.03 mm,轮毂轴承寿命为1228 h,远高于前者的760 h,说明其具有更优的极压抗磨性能、润滑性能和氧化安定性;长寿低挥脂的线性黏弹区更宽、高温结构保持能力更强,说明其具有更好的流变学性能和高温稳定性能。因此,长寿低挥脂的综合性能优良,可用于苛刻的特殊工况环境。