细杆摇摆系统是一种重要的模拟海洋环境的仿真试验平台,模拟海洋环境对某实验反应的影响。该系统具有非线性、自然不稳定性和时变性的特点。该系统采用LabVIEW开发的上位机系统,和以CCS6.0为开发平台的TMS320F28335 DSP数字信号处理器的下位机系统。摇摆系统需要输出摆动周期和摆动角度严格对应的正弦曲线运动。针对细杆摇摆系统非线性、自然不稳定和时变性的特点,设计了一种基于模糊PID的闭环控制算法。用matlab进行控制算法的仿真。同时对项目要求的十二种工况进行实验,实验结果表明,该控制算法具有响应速度快、系统跟随性好、超调量小等优点。同时暴露出系统具有齿轮齿条传动反向传动时的间隙问题。

基于电磁学理论分析了永磁涡流制动的基本原理,推导了感应盘在扇环形磁铁组中旋转产生的涡流制动力矩计算公式,并与起重机起升机构的结构特点相结合提出一种新型永磁涡流防坠落装置。结合某20UMQ门式起重机,建立了负载坠落永磁涡流制动的动力学模型。利用Ansoft Maxwell进行有限元仿真分析,探究了磁铁组与感应盘之间的空气间隙大小对制动效果的影响。仿真结果显示磁铁组能在负载无初速坠落和以额定速度超载坠落时达到制动效果,为起重机起升机构永磁涡流防坠落装置的设计提供依据。

机械臂的轨迹规划和控制的前提,是进行机械臂的正运动学分析。目前,主要的分析方法为D-H参数法。提出了一种比D-H法更快捷、更简单、利于计算的旋量理论方法。通过指数积公式对双臂作业系统进行运动学建模并建立正运动学方程。运用Simpack软件对双臂作业系统进行仿真分析,通过仿真的结果和正运动学方程所求解的结果对比,验证了通过旋量理论建立的正运动学模型的正确性。利用Matlab软件进行工作空间的分析,通过工作空间云图的对比,得到双臂作业系统的工作空间。

为了研究人机携行外骨骼行走过程中多相交替过程下运动学参数的变化规律,基于D-H坐标系对外骨骼建立运动学模型,运用Newton-Euler递归公式计算出行走过程中的运动学表达式。为实现外骨骼与人体的携行运动,通过位移姿态传感器对人体行走过程中各关节参数进行了测量与分析。基于西南交通大学第三代人机携行外骨骼为研究对象,在Adams环境中建立虚拟样机,以人体运动参数为驱动,对外骨骼进行运动学仿真,并以双腿多相交替过程为切入点,对仿真结果进行了分析。结果可为人机携行外骨骼驱动的测控系统提供可靠依据。

针对液压启闭机-弧形闸门,为研究其振动传递并提出有效抑振措施。本文通过建立其三维实体模型,并建立其动力学方程,理论分析液压油的刚度阻尼特性,在Simpack中建立液压启闭机-弧形闸门耦合动力学仿真模型,并以液压系统为振动源,通过设置基座隔断阻尼器和闸门隔断阻尼器并进行参数优化来抑制振动传递,结果表明:基座隔断阻尼器和闸门隔断阻尼器能有效抑制振动的传递,并得到两阻尼器刚度与阻尼的优势区间,基座隔断阻尼器刚度为1×104~1×105N/mm,阻尼为100~2000 Ns/mm;闸门隔断阻尼器刚度为1×104~5×105N/mm,阻尼为100~2000 Ns/mm。

基于电磁学理论分析了永磁涡流制动基本原理,建立了制动力矩关于永磁体充磁厚度和底面直径、磁极对数、感应盘厚度、空气间隙厚度等参数的数学模型。对比分析了解析计算与Ansoft Maxwell仿真结果,验证了数学模型的准确性和实用性。探究了磁极对数、永磁体厚度和底面直径、空气间隙大小及其变化规律、感应盘厚度对制动力矩的影响机理,得到了制动力矩与以上各参数之间的特征关系,并根据门式起重机结构特点建立了吊重的动力学模型。结合20UMQ门式起重机起升机构性能,设计了永磁涡流制动参数,并基于Matlab/Simulink对制动特性进行了仿真分析,为起重机起升机构永磁涡流制动的设计提供依据。

为研究助力下肢外骨骼双膝蹲-起立过程中各关节的驱动力矩,将助力下肢外骨骼视为三自由度的刚性结构系统,建立动力学模型。以达朗贝尔定理推导出双膝蹲-起立过程动力学表达式。为实现助力下肢外骨骼与人体高度偕行,对人体双膝蹲-起立运动过程进行实验分析,以MATLAB为平台分别对负重40kg和无负重下肢外骨骼各关节驱动力矩进行数值计算。根据分析结果得,膝关节在负重40kg时驱动力矩最大,峰值为209.20Nm,平均为75.85Nm;髋、踝关节驱动力矩相对较小,工作能耗低,在无负重状态下仍需9.87Nm和38.80Nm的驱动力矩,能量损失较多;踝关节为保持稳定性导致有较大波动。

以第二代外骨骼试验样机为研究对象,选取双膝蹲-起立特征动作进行运动学分析,对特征动作用Boltzmann函数进行曲线拟合。建立了双膝蹲-起立特征动作动力学模型,基于牛顿法建立了各个关节处动力学方程,采取不同负重,利用MATLAB软件编程求解,得出了各关节处驱动力矩随时间变化曲线。根据得出的结果,得到了各关节峰值出现在4.3s处,各个关节处所需力矩的峰值随负重基本呈线性变化,且三个关节中膝关节所承受的转矩最大,在动力部分设计时需要着重考虑。

为了能全面准确识别齿轮的故障类别,建立了基于时域、频域以及能量等多域特征参数的特征空间模型。在此基础上,提出了一种基于多域特征与改进D-S证据理论的齿轮故障智能诊断方法。通过实验台实测数据提取相关特征参数作为诊断样本,以粒子群优化支持向量机的初步诊断结果构建多个证据体。实验结果验证了改进D-S证据理论融合证据体诊断结果的有效性。

助力下肢外骨骼在行走过程的各关节角的运动学规律是研究下肢助力外骨骼的关键,其行走动作与人体行走动作有着高度的偕行性。通过光学捕捉系统结合高速摄像机获得人体不同状态下行走动作的空间坐标点,建立人体行走的棍图模型,基于MATLAB平台拟合负重为0kg、10kg、30kg、50kg行走速度为3km/h、4km/h、4.8km/h、6km/h的关节角运动学方程,结合西南交通大学第二代助力下肢外骨骼计算膝关节处驱动液压缸的线速度。实验结果为液压缸的选型、驱动控制系统的设计提供了理论基础。