基于能力矩阵的教学模式改革与实践——燕山大学液压伺服与比例控制系统国家级精品课程

在燕山大学液压伺服与比例控制系统国家级精品课程建设及教学体系改革过程中,从知识结构、实践能力、创新教育等方面出发,突破传统理论教学的观念,注重从基本到复杂的认知及创新型人才的培养理念,对该课程的教学模式进行了创新性改革。通过采用启发性课堂教学模式、研究性探讨教学模式和创新性实践教学模式相结合,同时构建了学生能力矩阵的评价体系,为学生科研精神和创新能力的培养奠定了基础,取得了较好的效果。

应用于留学生教育的“现代流体动力控制技术”的改革与实践

现代流体动力控制技术是一门理论性强、涵盖内容复杂、内容抽象的学科.正是由于流体动力控制专业具有这样的特点,使得许多学生在学习过程中存在困惑、感到枯燥.而在教学过程中,教学与国际化接轨水平不足.因此,为了提高学生的学习兴趣,改善教学质量,现代流体动力控制技术的教学改革是必不可少的.本文基于现代流体动力控制工程的教学现状,针对其存在的问题,提出了应用于留学生教育的教学改革方案.

液压驱动型六轴机械臂运动学研究

针对煤矿工作环境的复杂性和不确定性,提出一种新型6自由度液压驱动串联机械臂,使其具备结构轻量化、控制精准化、操作简易化等特点。首先,以6自由度串联机械臂为研究对象,建立其运动学模型,推导运动学正、逆解;其次,利用极值理论和蒙特卡洛算法求解末端夹爪的工作空间,证明所设计的串联机械臂有效性;最后,选取机械臂运行的典型轨迹,使用不同的插值策略对机械臂运行的角度、角速度和角加速度进行对比分析。结果表明:6自由度液压驱动机械臂末端夹爪在五次多项式插值策略下运行平稳且连续,没有出现突变现象,可减小整机运行的柔性冲击,提升整机的使用寿命。

磁液双悬浮轴承-单盘转子系统动力学行为研究

随着轴承系统高转速、高效率的发展需求,磁液双悬浮轴承转子与静子的装配间隙不断减小,导致碰摩事故经常发生。综合考虑转子偏心比、转速比、磁液双悬浮轴承与静子碰摩等多种耦合故障,建立磁液双悬浮轴承转子系统“间隙-碰摩”动力学方程,数值模拟转子运行规律。研究结果表明:随着偏心比的增加,转子由周期1运行演化出周期2、周期3、拟周期、混沌等多种运行规律;当偏心比ρ∈(0.28~0.4)及转速比w∈(1.2~1.7)时,转子位移波动剧烈,在此区域内转子极易发生分岔甚至混沌,且在碰摩区间内,转速比在1.5、1.67附近时,转子轴承处与转盘处碰撞力分别出现最大值。

球面二自由度冗余驱动并联机器人系统动力学参数辨识及控制

以伺服电机驱动的球面2-DOF冗余驱动并联机器人为研究对象,首先,建立了机构惯性参数辨识模型,并规划了惯性参数辨识轨迹;其次,建立了机构运动副摩擦参数辨识模型和驱动系统的摩擦参数辨识模型,分别分析了二者的辨识原理,并规划了摩擦参数辨识轨迹;再次,通过辨识实验得到了机构惯性参数、机构转动副摩擦参数和驱动系统摩擦参数的辨识结果,利用辨识结果对原机构参数进行修正,获得了更为准确的机器人系统动力学模型,并通过轨迹测试实验,对辨识结果进行了验证;最后,制定了基于机器人系统动力学模型的前馈控制策略,与传统的机构运动学闭环控制策略进行实验对比,验证了该控制策略的可行性。

微流体驱动与控制系统的研究进展

随着微流控系统的应用越来越广泛,微米尺度和纳米尺度器件微通道内的流动逐渐成为了研究的热点。重点阐述了微流控系统的驱动元件——微泵、控制元件——微阀的研究现状,介绍了学者们研制的各种微泵、微阀的工作原理与结构特点,指出了微流体驱动控制系统泄漏、结构复杂、成本偏高等问题依然存在,并对微驱动控制的发展方向进行了展望。

Stewart平台多能域系统动力学全解建模与实验

围绕六自由度Stewart并联平台的多能域动力学建模展开研究。首先,采用旋量键合图建立了电动缸驱动Stewart平台机构本体动力学模型,采用传统键合图建立了伺服电动缸键合图模型,得到了该平台完整的机、电耦合的多能域系统动力学全局模型。其次,给定平台末端轨迹,对比Matlab理论计算、ADAMS软件仿真以及实验实测驱动力结果,验证了Stewart平台机构本体旋量键合图模型的正确性。最后,借助理论计算得到的驱动力,由平台系统多能域动力学全解模型进一步计算得到伺服电机电流,与通过实验得到的电机电流实测值对比,验证了该平台多能域系统动力学全解模型的正确性。为后续包含驱动单元惯性参数和摩擦参数在内的动力学参数辨识以及平台控制研究奠定了基础。

多模型Stacking集成学习的旋转机械故障诊断方法

针对传统旋转机械故障诊断方法中单一机器学习模型出现的诊断精度低、泛化能力差且性能提升有限等问题,提出了通过Stacking框架异质集成多个机器学习模型对旋转机械进行故障诊断。首先利用小波包变换对旋转机械的原始振动信号进行特征提取;然后通过贝叶斯优化和网格搜索结合的方法调节各基学习器的超参数,采用DT、KNN、SVM及RF作为初级学习器,LR作为次级学习器构建Stacking异质集成学习模型;最后通过滚动轴承和液压泵故障模拟试验,将所提模型与单一模型、同质集成模型进行比较分析。试验结果表明,异质集成Stacking模型在不同旋转机械的故障诊断中均获得了最佳的整体诊断性能。异质集成是提高旋转机械故障诊断性能的有广阔应用前景的解决方案。

电液3-UPS/S并联稳定平台参数振动特性分析

针对电液3-UPS/S并联稳定平台驱动液压缸的压力脉动所产生的参数振动,建立了稳定平台的参数振动方程并利用多尺度法求解了主共振响应与组合共振响应的一次近似解;分析了主共振与组合共振响应特性以及振动幅值在初始工作空间内的变化规律,最后采用四阶龙格库塔法与模态试验对参数振动模型进行验证。结果表明:数值解与理论解之间的最大误差为4.20%,固有频率理论值与试验值之间的最大误差为4.66%,可验证参数振动模型的正确性。

基于改进Hilbert-Huang变换的管路环向裂纹故障诊断研究

在制造、加工、装配以及服役过程中,航空液压管路可能存在平面型缺陷。在适航载荷作用下,这些缺陷会萌生裂纹并发生扩展,最终导致管路破裂和油液泄漏。为了在管路产生微裂纹时对其进行故障诊断,采用了自行搭建的航空液压管路模态试验平台和测控系统,对存在环向裂纹航空液压管路的振动信号进行了采集和预处理。而在对管路振动信号进行分解时,由于经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)算法存在模态混叠问题难以获得准确的本征模态函数(Intrinsic Mode Functions,IMF)。为提高信号处理精度,提出一种基于自适应噪声完备经验模态分解(Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise,CEEMDAN)和Hilbert变换理论相结合的改进Hilbert-Huang变换方法对航空液压管路环向裂纹进行故障诊断。研究结果表明,该方法能够更准确地诊断航空液压管路的环向裂纹故障。

复杂流场下对焊燃油管路流固耦合特性分析

飞机燃油管路内部流体流动特性复杂,油液与管壁相互作用产生的流固耦合作用严重影响管路安全,深入研究流固耦合特性对减少管路振动和磨损具有重要意义。通过金相检测和微拉伸试验获得焊接接头区域具体尺寸和力学性能参数,建立带有90°弯管的对焊燃油管路流固耦合模型。采用Realizable k-ε湍流模型开展研究,综合分析在恒速流场下不同入口流速对流体域流动特性及固体域应力响应规律的影响和在脉动流场下不同区域等效应力的响应结果。结果表明:恒速流场下,出口弯管段最大等效应力受流速影响显著;脉动流场下,焊接接头处的最大等效应力出现在焊缝区且应力水平较为集中。可为改善飞机燃油管路的构型设计和系统性能提供重要参考。

高速斜撑超越离合器楔合动态响应研究

针对斜撑式超越离合器高速楔合容易产生故障的实际情况,对其楔合动态过程进行研究。工作过程中,斜撑式超越离合器内部楔块之间、楔块与内外环间以及各部件同保持架间存在碰撞。首先基于Hertz接触理论,求解了碰撞刚度,为明确各参数对高速斜撑超越离合器动态响应的影响程度,建立了包括楔合延迟时间、冲击力矩、最大转速差等在内的评价指标。同时,将高速斜撑超越离合器的楔合动态过程进行划分,以研究几何参数对不同响应阶段的影响。最后,开展了楔块与内环的摩擦条件、弹簧力、碰撞刚度、阻尼和负载等对高速斜撑超越离合器楔合动态响应的研究。结果表明,不同参数对所定义的评价指标的影响程度不同,极端情况下可导致楔合失败。该研究可为工程实践提供一定的理论参考和指导。

负载口独立双阀芯电液阀的结构优化

为研究负载口独立电液阀系统结构参数对主阀微动特性的影响,基于功率键合图理论,建立了电液阀系统状态空间方程,采用一阶灵敏度方法,分析了系统参数对主阀微动特性的影响规律;反馈控制系统的先导结构参数对主阀运动特性至关重要,以系统不产生自激振荡与最佳阻尼比为约束条件,对先导级死区宽度、阀口形式、进回油阀口匹配系数进行研究,实现了先导级主级最佳匹配。研究结果表明,对主阀微动特性影响较大的因素依次为主阀芯所受摩擦力、非弹簧控制腔液容、导阀入口到主阀控制腔管路液容(非弹簧侧)、主阀弹簧预紧力,对上述影响参数进行优化的同时,当导阀死区宽度δ≤0.25 mm,阀口形式为U形阀口,进回油阀口匹配系数η=0.53时,系统综合性能可得到有效提高。

液压型风力发电机组主传动系统稳速控制研究

以液压型风力发电机组定量泵-变量马达主传动系统为研究对象,建立液压主传动系统数学模型和传递函数,针对励磁同步发电机并网运行对变量马达稳速输出控制要求及系统模型中存在的相乘非线性,利用小信号线性化方法建立一种在稳定转速附近的抗干扰控制方式。分析变量马达斜盘基准折算值、马达斜盘调整机构阀控缸响应速度、不同定量泵转速阶跃对转速控制系统的影响规律,以仿真和实验验证稳速控制方法的鲁棒性。

斜盘式轴向柱塞泵后壳体机械振动传递路径研究

轴向柱塞泵振动产生后,会按照某种规律沿着一定路径向外传递。以斜盘式轴向柱塞泵为研究对象,分析其机械振动产生机理及传递规律,建立振动传递路径模型;以泵后壳体作为振动传递的最终受体,建立了泵机械振动向后壳体传递的路径模型;通过数值模拟和实验确定模型参数,利用MATLAB对数学模型进行求解,得到了机械振动向后壳体传递的规律;基于路径传递率的概念,对振动传递路径系统进行了路径贡献度分析,并辨识出主要传递路径;搭建了轴向柱塞泵振动测试实验台,进行了实验研究。结果表明:所建立的轴向柱塞泵振动传递路径模型和求解方法较为准确,分析误差小于5%。该研究方法为轴向柱塞泵振动传递、能量耗散规律研究,以及参数灵敏度分析奠定理论基础。

基于变频调节的快锻液压系统节能与控制研究

针对快锻时不足5%的传动效率造成的液压传动系统高能耗问题,提出由变频直驱泵与蓄能器结合起来而构成的新型泵-蓄能器复合动力源系统,并以泵口压力为控制目标,通过模糊自整定压力闭环控制策略,实现低装机功率下动力源的无溢流稳压输出,也为锻造液压机电液比例控制系统提供了稳定的动力输入。为减少节流损失,压下时利用差动回路。建立了泵头单元的数学模型,给出了确定蓄能器工作参数的基本原则。实验研究表明,基于变频调节的快锻液压系统位置误差可达0.2 mm,较电液比例阀控系统总能耗降低65.3%,传动效率提高13.4%。

液压型风力发电机组低电压穿越控制方法研究

以液压型风力发电机组作为研究对象,根据机组低电压穿越控制过程对液压系统功率快速调整的要求,以发电机稳定于工频转速和液压系统瞬态调整时间最短为控制目标,提出一种基于直接控制变量马达摆角的低电压穿越控制方法。以30kV·A液压型风力发电机组模拟实验台为仿真和实验平台,针对提出的低电压穿越控制方法展开研究,仿真和实验分析表明,直接控制变量马达摆角的方法具有较好的低电压穿越控制效果。

基于GA的液压机多PID控制器参数优化

为了解决四通道独立负载口独立控制快锻液压机系统中多个PID控制器参数与不同工况的匹配问题,提高液压机在改变工况后的锻造精度,采用改进的GA(遗传算法)对多PID控制器参数进行整定,建立不同工况下参数调整数据库。首先,建立0.6 MN快锻液压机系统的机理模型,在此基础上,通过系统辨识方法得到其实际的数学模型。其次,针对不同锻造行程和锻造频率,利用改进遗传算法对多PID控制器参数进行优化。最后,基于0.6 MN快锻液压机实验平台对仿真结果进行实验验证。研究结果表明:通过遗传算法进行多PID控制器参数优化使快锻液压机系统在多个锻造频率和锻造行程下的锻造精度达到了±1 mm,提高快锻液压机对不同工况的适应性。

电液驱动3-UPS/S并联稳定平台的动力学参数辨识

以电液驱动并联稳定平台为研究对象,对平台惯性参数和驱动关节液压缸摩擦参数进行了基于实验的辨识研究。利用关键点旋量等效原则和虚功原理构建了平台惯性参数辨识模型,以五次多项式改进的傅里叶级数构造了激励轨迹,并进行了优化;基于液压缸摩擦力模型,分离出模型中固有的摩擦参数,建立了摩擦参数辨识模型,并规划了辨识轨迹。通过辨识实验得到了惯性参数及摩擦参数的辨识结果,利用任意轨迹实验对结果进行了验证。

基于有功功率控制的液压型风力发电机组最佳功率追踪策略关键问题研究

液压型风力发电机组采用定量泵-变量马达闭式系统作为风机主传动系统,采用同步发电机直接并网发电,区别于传统齿轮或直驱型风机,需要对其最佳功率追踪策略进行深入研究。介绍液压型风机能量传递过程,最佳功率追踪控制需解决的关键问题,研究基于有功功率控制的最佳功率追踪原理。分析风力机功率传输特性,提出功率追踪分段控制策略。分析液压系统存在的非线性问题,利用小信号线性化方法结合变增益PID控制,解决系统非线性带来的功率响应不一致问题。最后利用转速控制环节对功率控制环节优化,使系统在功率追踪过程中系统更加平稳。在30k VA半物理仿真实验平台上验证变增益PID控制下系统功率一致响应,以及按最佳叶尖速比给定的最佳功率进行的最佳功率追踪策略。