用于GMA的新型永磁偏置闭合磁路

利用ANSYS有限元软件进行仿真模拟,对超磁致伸缩执行器(GMA,Giant Magnetostrictive Actuator)的磁路结构进行了分析和优化.根据磁致伸缩棒内磁场均匀性好,场外漏磁小的设计目标,利用极性相反的双永磁补偿原理,提出了一种新型的内置式永磁组合偏置结构,使得沿磁致伸缩棒长方向磁场分布均匀的同时,偏置磁场和激励磁场都形成良好的闭合磁路.ANSYS分析结果表明,棒中偏置磁场不均匀度为3.51%,激励磁场不均匀度为8.73%,均满足不均匀度小于10%的设计目标;在执行器指定位置(距离GMA 7 cm)的总漏磁场强度为30.4 A/m,符合实际应用的标准要求(<80 A/m).     

超磁致伸缩超声换能器的磁路优化设计

为了改善磁路环境,最大限度地降低超磁致伸缩超声换能器的发热,将磁路间隙作为研究对象,采用Maxwell有限元软件对磁路间隙与超磁致伸缩材料（GMM）棒的磁场强度的关系进行了分析,并通过实验对超声换能器的阻抗和振幅,以及GMM棒的温度进行了测量。结果表明:随着磁路间隙的增大,GMM棒的磁场强度和磁场均匀度减小;随着导磁圆筒槽宽的增大,超声换能器的谐振频率基本一致,GMM棒的温度减小。当导磁圆筒的槽宽约为6 mm时,该GMM棒的磁场均匀度最高,机械品质因数最大,这对超磁致伸缩超声换能器的优化设计具有重要的意义。      

超磁致伸缩作动器的结构分析

从力学和磁学两方面分析了超磁致伸缩作动器内部结构形式对作动器特性的影响,重点研究了永磁铁式偏置磁场的不同结构形式以及作动器外壳材料对作动器的输出性能及作动器轴向刚度的影响.研究结果表明,环套式永磁铁的结构形式不可避免地在作动器外围产生较大磁场;分段式永磁铁的结构形式,采用钢制外壳时可避免漏磁;但是在芯棒区域的磁场与理想均匀磁场的差异将给作动器的输出位移带来较大损失,对作动器的刚度也会产生不可忽略的影响,二者在设计中必须考虑.在结构分析的同时,基于超磁致伸缩材料的特性提出了磁场与刚度相关联的设计理念,可为超磁致伸缩作动器的结构设计提供参考.     

一种新颖超磁致伸缩作动器的隔振模型

根据超磁致伸缩材料的本构方程分析了超磁致伸缩作动器输出位移的组成,以此为根据建立了基于超磁致伸缩作动器的单层单自由度隔振平台数学模型.该模型以平台在激振力作用下产生的振动位移为系统干扰输入;根据此模型分析了基于超磁致伸缩作动器的隔振原理;在频域内推导出了系统隔振能力与激振力频率及作动器最大输出位移之间的数学关系,然后在时域内采用自适应LMS(Least Mean Square)算法在Matalb环境下进行仿真.仿真结果与理论分析均表明,隔振平台的隔振能力与激振力频率的平方以及作动器最大输出位移成正比,从而为合理设计隔振平台用超磁致伸缩作动器提供了理论依据.该模型不仅可用于分析基于磁致伸缩作动器的隔振原理,对其它作动器的隔振原理也适用.      

超磁致伸缩作动器的率相关建模与跟踪控制

利用Hammerstein模型对超磁致伸缩作动器(GMA, Giant Magnetostrictive Actuators)进行建模, 分别以改进的Prandtl-Ishlinskii(MPI, Modified Prandtl-Ishlinskii)模型和外因输入自回归模型(ARX, Autoregressive model with exogenous input)代表Hammerstein模型中的静态非线性部分和线性动态部分,并给出了模型的辨识方法.此模型能在1~100 Hz频率范围内较好地描述GMA的率相关迟滞非线性特性.提出了前馈逆补偿和比例-微分-积分(PID, Proportional-Integral-Derivative)反馈相结合的复合控制策略.实时跟踪幅值为16 μm的单一频率和复合频率正弦参考输入信号, 均方根误差小于1 μm, 相对误差小于10%, 证明了控制策略的有效性.     

减压阀动态响应特性与稳定性研究

针对反向作用气体减压阀,建立了减压阀的动态数学模型,通过数值仿真,分析了减压阀的工作过程,研究了不同结构参数对动态响应特性的影响规律.同时,在此基础上,采用线性化分析方法,建立了减压阀的状态空间模型,得到了主要结构参数对减压阀稳定性的影响规律.最后,提出了改善减压阀动态响应特性和提高其稳定性的主要措施.     

PP/活化炭黑复合材料磁致伸缩与交流电性能

炭黑微粒子进行活化处理后,以10％(质量分数)的比例填加到聚丙烯基体中制备了复合材料,对其进行交流电性能和磁致伸缩性能测试.测试结果表明,聚丙烯/活化炭黑复合材料同时具有导电性能和磁致伸缩性能.复合材料交流电性能参数随频率的变化规律表明活化炭黑在聚丙烯基体中已形成导电网络.复合材料磁致伸缩性能测试过程中发现了3个现象:这种复合材料具有较大的磁致伸缩应变,最大的磁致伸缩应变为1.15×10-4(115ppm);复合材料的磁致伸缩应变与磁场强度有关,这与传统的无机磁致伸缩材料相似,与之不同的是,此复合材料的磁致伸缩性能还与时间间隔有密切的关系;复合材料的磁致伸缩性能具有非常明显的滞后效应,而通常被认为是典型磁致伸缩材料的无机物Tb_xDy_1-xFe_2-y则不具有这种效应.      

压力传感器动态特性参数不确定度评定

压力传感器动态特性参数的不确定度是表征其动态测量性能的重要指标。提出了一种压力传感器动态特性参数的不确定度评定方法。首先,使用激波管动态校准系统产生阶跃压力信号激励压力传感器,得到传感器的输出信号;其次,采用基于经验模态分解（EMD）的传感器输出信号预处理方法,减小动态校准过程中噪声的影响;然后,根据传感器的输入输出信号,采用自适应最小二乘法建立压力传感器的数学模型,进而得到其时频域动态特性参数;最后,针对重复校准实验得到的动态特性参数序列的小样本特点,采用自助法计算参数的扩展不确定度和相对不确定度。采用激波管系统对压力传感器进行多次重复动态校准实验,计算时频域动态特性参数的不确定度,并与现有方法进行对比。实验结果表明:本文方法可以弥补贝塞尔法在处理小样本量数据中的不足,且与蒙特卡罗法的不确定度评定结果相对误差小于10%,说明本文方法可以有效地评定压力传感器动态特性参数的不确定度。分析时频域动态特性参数的相对不确定度得到传感器的工作频带和超调量受噪声的影响较大,为动态校准实验条件的改善提供了重要依据。      

折叠翼无人机冷气发射装置动态特性分析及优化

针对冷气投放装置工作过程中存在的机械系统和气压系统耦合非线性动力学问题,提出了一种满足折叠翼无人机（UAV）结构形式和空中发射技术要求的冷气发射动态特性分析方法及优化设计方法。以某型折叠翼无人机为研究对象,基于联合仿真建立了无人机气动发射系统动力学模型,搭建了冷气发射系统试验样机,并完成压缩气体空中发射试验,验证了仿真模型的准确性。在此基础上,分析了无人机与冷气发射装置主要系统参数对无人机发射动态性能的影响,针对该系统进行了参数优化设计。结果表明:储气瓶体积和充气压力是影响无人机冷气发射动态特性的关键参数,随着储气瓶体积和充气压力增大,最大发射速度和加速度明显增大,储气瓶体积从15 L增加至30 L,最大发射速度增加了52.7%,最大发射加速度增长了60.9%呈正相关影响;充气压力从0.4 MPa增加至0.7 MPa,最大发射速度增长了50.5%,最大发射加速度增长了69.9%;发射角度对无人机发射性能影响较小,可忽略不计。      

微型探头-传感系统高频响应特性模型适应性

为了拓宽微型探头-传感系统的可用频带,满足高频压力信号的测量需求,需对系统的频率响应特性进行研究,并分析现有数学模型对不同结构微型探头-传感系统的适用性及预测精度。对5种典型结构的微型探头-传感系统进行了判定和划分,综述了现有微型探头-传感系统的频响预测模型、假设条件及模型修正方法。为对理论数学模型进行定量评价,计算得到了不同结构微型探头-传感系统的谐振频率、截止频率和工作频带（幅值误差±5%）,并与数值仿真和实验结果进行了对比。结果表明:对于引压管较短的谐振腔,利用Panton模型计算其谐振频率,误差可控制在1%以内;对于引压管较长及带有测压孔的结构,B-T模型的预测精度最高。对实验用微型探头-传感系统进行了优化设计,并用于超声速凝结自激振荡现象的研究。结果表明:优化的微型探头-传感系统频响特性可满足高频（约10 kHz）压力波动信号的动态测量需求。      

基于Hammerstein-like模型的超磁致伸缩作动器建模与控制

超磁致伸缩作动器的率相关迟滞非线性成为其在工程应用中的一大阻碍因素.通过使用特殊建模激励信号,基于最小二乘支持向量机建立了一定频率范围内的统一率相关Hammerstein-like迟滞非线性模型,该模型能够保证其建模频率范围内单频和复合频率的模型泛化性.在此模型基础上,设计了前馈逆补偿与PID (Proportional-Integral-Derivative)反馈控制相结合的复合控制策略,针对一定频率范围内的所有单频和复合频率的输入信号,该控制器都能够保证其跟踪控制效果,最后通过实验实时跟踪控制结果进一步验证了所设计控制器的有效性.     

超磁致伸缩作动器率相关磁滞环的模糊建模

超磁致伸缩作动器的输入输出特性中存在磁滞非线性现象,它在很大程度上影响了振动主动控制的精度及其稳定性.针对这一非线性特性,提出了基于模糊树模型的建模方法,为了产生适合模糊树建模的数据,首先将原来磁滞环中的一维输入空间映射到高维输入空间,从而将磁滞环一维输入空间的多值函数问题变为高维输入空间的单值函数问题.该方法结构简单,计算量低,对输入数据维数不敏感,通过数值算例表明了该方法的有效性.      

迟滞非线性气动弹性反馈线性化自适应控制

首先将含操纵面二元机翼的动态方程以状态空间形式描述,基于Lie导数对其进行了输入/输出局部反馈线性化;然后考虑迟滞非线性模型存在参数不确定性的情况下,利用Lyapunov稳定性理论进行了自适应控制律设计.仿真结果显示:在内动态稳定的情况下,所设计的控制律能够使开环不稳定气动弹性系统受扰后快速地回复到原来的稳定状态,并且在控制面偏转存在限制的情况下仍能实现对非线性颤振的控制.      

六自由度压电隔振平台面向控制的模态分析与动力学建模

六自由度压电隔振平台各通道之间存在的强耦合性以及压电作动器固有的迟滞非线性都对系统动力学建模提出了挑战。为此，基于模态分析技术对六自由度压电隔振平台开展面向控制的非线性动力学建模研究。在充分考虑压电作动器的迟滞非线性后，采用模态坐标变换方法建立了隔振平台Hammerstein非线性动力学模型，包含了输入端的静态迟滞非线性子系统、解耦的模态方程组以及模态正/反变换矩阵。通过实验测量方法辨识得到模态方程中的参数，采用MPI模型辨识得到静态迟滞非线性子系统，并经过逆补偿控制实验验证了迟滞模型的正确性。基于迟滞逆补偿策略辨识得到模态反变换矩阵。最终建立了平台的动力学模型，为后续的控制奠定了良好的基础。