2025年, 第49卷, 第10期　刊出日期：2025-10-15

  

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元件分析与优化
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  基于非对称屏障Lyapunov函数的单杆液压缸自适应控制

  史丽晨, 李晓杰, 李建峰, 普家豪, 于思淼

  液压与气动. 2025, 49(10): 12-22. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2025.10.002

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  针对单杆液压缸在大负载、高刚度以及动态扰动环境下面临的受控输出不稳定和精度低等问题,对系统的受力过程及结构特性进行了分析;建立了液压系统的非线性数学模型,并设计了一种基于非对称屏障Lyapunov函数的自适应控制方法,以实现输出力在受限条件下的稳定跟踪控制。该控制器融合参数自适应、扩展状态观测器以及动态面控制策略,解决了系统中存在的参数不确定性、未知状态与时变扰动估计和高阶导数引起的计算复杂性剧增问题,并通过构造非对称屏障Lyapunov函数,对系统输出力边界施加约束。基于Lyapunov稳定性理论,证明了控制系统的渐近稳定性,并采用联合仿真试验验证了控制器的有效性。研究表明,所提出的控制器能够有效估计并补偿系统中未知状态与扰动,保证承载过程中的控制输出在安全的范围内,并实现对执行器位置的高精度跟踪控制。
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  电静液作动器有限时间预设性能神经网络控制

  申欢欢, 张鹏翔, 董振乐, 李阁强

  液压与气动. 2025, 49(10): 39-47. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2025.10.005

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  针对电静液作动器兼顾瞬态和稳态性能的控制策略需求,提出了一种有限时间预设性能神经网络控制策略。建立了电静液作动器非线性数学模型,构造了障碍Lyapunov函数,融入了跟踪误差的有限时间预设函数,基于反步思路设计了含神经网络的位置跟踪控制器,运用Lyapunov方法验证了控制器的稳定性和理论性能。搭建了MATLAB+AMESim联合仿真模型,将所设计控制器与PI控制器和不含预设性能的神经网络控制进行对比,结果表明: 所设计的控制器具有较高的跟踪精度,相较PI控制器和不含预设性能的神经网络控制器,类正弦轨迹跟踪精度分别提升85%和47%,点到点轨迹跟踪精度分别提升85%和55.9%,且跟踪误差可在有限时间减小至所设定的稳态值以下,并始终处于预设边界内。
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  面向故障异常识别的压缩机气量调节自愈控制

  董延, 王美姣, 任艳艳, 李峰

  液压与气动. 2025, 49(10): 81-88. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2025.10.009

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  压缩机气量调节受复杂工况的影响很大,单一故障识别无法保障异常识别精度。为了进一步提高压缩机气量控制精度,设计了一种面向故障异常识别的压缩机气量调节自愈控制方法。在分析电液执行器系统的基础上,给出气量调节自愈控制策略,建立无级气量耦合调控模型,通过主动控制载荷的方式来消除故障问题,确保气量调节系统处于失稳条件下完成在线自愈的目标。研究结果表明:加入两级压力后,网络训练结果误差都在2%以内,达到了理想的预测目标。系统自愈调控曲线跟仿真结果形成良好的吻合程度,仿真过程满足要求。一级执行机构处于相对恒定的振动相位,判断一级调节过程可以获得稳定负荷。该研究适用于其他的机械传动故障诊断领域,具有推广价值。
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  适应曲面的爬壁机器人吸盘结构优化及性能分析

  曹中玉, 冯博, 辛培防, 向光波, 王程瑶, 苏增浩

  液压与气动. 2025, 49(10): 89-97. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2025.10.010

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  在粮食仓储管理中,粮仓内壁的曲面结构对爬壁机器人的吸附性能有着较高要求,既要有一定的柔性满足自适应曲面能力,又要有一定的刚度保证支撑稳定性。提出一种刚性吸盘方案用于变曲率墙壁。由于吸盘主体的微小形变能力,导致其在吸附过程中海绵呈现“马鞍形”形变,使吸附性能显著下降。针对该问题,对刚性吸盘结构进行优化,设计了一种采用分布式刚性单元的半刚性吸盘。通过在不同模拟基板上对刚性吸盘、半刚性吸盘进行吸附力试验发现:刚性吸盘在曲率半径为100、200、400 mm曲面模拟基板上的吸附力分别为205.49、307.56、360.25 N;而半刚性吸盘在不同曲面上的吸附力会略有浮动,但整体数值稳定在420 N左右。此方案实现了吸附性能在复杂曲面环境中的显著提升,有效降低了装置作业时的脱落风险,为爬壁机器人在筒仓等领域的应用扩展奠定了可靠基础。
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  机电一体式安全阀设计及试验研究

  乔鑫, 汤磊, 魏东, 王展鸿, 赵永立

  液压与气动. 2025, 49(10): 107-114. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2025.10.012

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  公开报道的航天用机电一体式安全阀研究中电磁阀故障将导致安全阀丧失功能。针对该现状提出了一种采用阀岛控制的、具备一度故障冗余功能的机电一体式安全阀及其控制策略,并开展了原理验证试验研究。结果表明,采用三个常开式二位三口电磁阀组成的控制阀岛对主阀背压腔与压力容器或大气环境之间通路的切换进行控制,结合提出的控制策略,可实现正常工作模式、主动电磁阀DCF1或DCF2任一电磁阀发生通电不动作或断电不动作故障等模式下安全阀的主阀正常动作。原理验证试验中,控制器对电磁阀的控制功能、电磁阀的动作性能、安全阀的开启压力均满足设计需求。研究结果为该机电一体式安全阀在运载火箭增压输送系统中的应用提供了理论指导和工程应用基础。
系统设计与研究
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  煤矿无人驾驶防爆线控底盘液压混合动力系统能量分析

  宋岩, 梁玉芳

  液压与气动. 2025, 49(10): 1-11. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2025.10.001

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  煤矿井下防爆车辆在长距离、大坡度工况下的能效与热稳定性问题,严重制约了其无人化发展。基于线控底盘架构,深入探索了无人驾驶防爆车辆的热管理策略,提出一种多物理场耦合的瞬态热力学建模方法,并构建了基于闭式回路的串联式液压混合动力系统架构。该架构集成蓄能器协同控制与双向能量转化机制,以提升制动能量回收效率与峰值功率输出能力。同时,建立基于油液流向识别的动态温度边界模型,有效克服传统模型在瞬态响应中的时间滞后问题。通过硬件在环试验验证,揭示了液压油温升过程与系统效率之间的非线性关系。最终测试结果显示,液压泵、马达及蓄能器等所有关键部件的温度预测误差均未超过±3.5 ℃,模型在系统温度水平与变化趋势预测上有较高精度,为井下无轨辅助运输装备的热管理优化提供了理论模型与解决方案。
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  全柔性抓手结构设计及手指弯曲性能分析

  夏秀旭, 赵锡卓, 苗坤, 任沛瑶, 刘健

  液压与气动. 2025, 49(10): 23-29. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2025.10.003

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  设计了一种纯软体结构的抓手并针对手指部分的弯曲性能展开分析。抓手采用气体驱动串联而成的椭圆形腔体,结合阶梯形腔体结构,对指尖、指中、指根部分别设置了三个平行气道,手掌部分采用圆弧三角形结构。抓手采用超弹体材料Ecoflex 00-30硅橡胶和聚二甲基硅氧烷,基于单轴拉伸理论确定Yeoh为本构模型,并在此基础上推导出单个气囊模型、单个腔体组弯曲模型以及多气道全柔性抓手弯曲变形预测模型。将手指的结构参数代入数学模型,推导出手指的弯曲变形曲线的几何关系,得到的分析结果与仿真模型进行对比,验证了模型的准确性与实用性。最终,基于手指的弯曲性能,对腔体的结构类型与个数、手指宽度、腔体间隙长度、底部应变限制层等参数进行分析,确定抓手的性能参数,为软体驱动器的发展提供了研究数据和参考。
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  大型井架电液纠偏系统研发及多点同步控制方法

  沈春华, 谌喜华, 丁海港, 王艳霞, 马智民, 杨雪银

  液压与气动. 2025, 49(10): 30-38. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2025.10.004

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  针对井架纠偏装备存在抗偏载能力差、同步精度低、控制点数少以及操作复杂等问题,设计了大型井架电液纠偏系统。其采用中央集控、多点驱动的系统架构,通过伺服电机驱动径向柱塞泵作为油源,使用高速开关阀控制,利用12支高压液压缸同步抬升井架支腿。提出了动态筛选主从跟随型多点同步控制方法,利用开关控制替代闭环控制,能够在大偏载工况下实现高精度同步控制,且不受控制点数的影响。开发了大型井架电液纠偏装备,开展了台架试验和井架纠偏作业,多支液压缸的同步位置误差小于0.3 mm,实现了一键纠偏,大幅度提高了大型井架纠偏的工作效率、安全性和自动化程度。
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  非均匀高度腔室气动软体执行器的结构设计及性能研究

  魏琼, 李旭东, 陈子超, 张金姣, 叶旭辉

  液压与气动. 2025, 49(10): 48-58. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2025.10.006

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  传统气动网格执行器因输出力不足而应用受限,其结构是关键制约因素。针对此问题,提出一种具有非均匀腔室高度的阶梯型结构,通过抑制径向膨胀以增强末端输出力。基于虚功原理建立了执行器的数学模型,揭示了结构参数与弯曲性能的关联;结合赫兹接触理论分析了腔室壁接触力,建立了弯曲角度与接触压力的理论关系。为实现最大输入气压50 kPa下输出力最大化,采用三因素四水平正交试验设计优化参数组合。通过弯曲性能分析及试验验证了理论与有限元模型的准确性。最终,对比了阶梯型与传统等高型执行器的输出力。试验结果表明:阶梯型结构有效抑制了径向膨胀,在50 kPa气压下输出力达3.5 N,较传统结构输出力提升40%。
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  基于二集值辨识算法的液压缸内泄诊断方法

  王健, 富嘉成, 刘艳, 郭金

  液压与气动. 2025, 49(10): 59-68. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2025.10.007

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  针对液压缸常见的内泄漏问题,提出一种基于二集值辨识算法的诊断方法,根据液压缸在正常和内泄漏两种情况下压力信号的变化来判断是否发生内泄。首先分别提取液压缸有杆腔和无杆腔的15个时域特征;之后运用主成分分析法提取15个特征的3个主成分;对两个腔的6个主成分建立数学模型,采用二集值辨识算法来估计出模型参数,并构造内泄诊断算法;最后,使用AMESim软件仿真得到的压力数据进行试验,验证了该方法对于内泄诊断的可行性和准确性。
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  电液伺服系统预定性能自适应渐近跟踪控制

  聂玉昆

  液压与气动. 2025, 49(10): 69-80. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2025.10.008

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  由于电液伺服系统往往会受到内、外部扰动影响,且内部参数因机械结构磨损会发生变化,采用传统的控制策略已无法满足控制性能要求。为此提出了一种基于滤波器的预定性能自适应渐近跟踪控制方法。首先,建立电液伺服系统数学模型,通过定义状态变量,转化为严格反馈形式空间状态表达式。然后,进行控制器设计和稳定性分析,设计了一种新颖误差转换,并结合障碍函数,实现对跟踪误差的预定性能约束;在控制器设计中,采用了单参数自适应对未知参数进行估计,同时为了避免虚拟控制器的连续求导,引入了一种非线性滤波器。最后,利用Lyapunov稳定性定理和Barbalat's引理,证明了系统可以实现渐近跟踪,且跟踪误差受限于预定性能函数范围内,闭环系统所有信号是半全局一致有界的。通过仿真验证了该控制策略的有效性,并与传统PID、反步法控制策略对比,研究结果表明,上升时间提高了82.8%、80.3%,调节时间分别降低了88.9%、91.4%,且无明显超调,具有较小的跟踪误差。
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  仿生柔性伸缩式管道机器人设计与分析

  房德磊, 苏保龙, 邵科研, 胡刚, 鄢振宇, 唐杰

  液压与气动. 2025, 49(10): 98-106. https://doi.org/10.11832/j.issn.1000-4858.2025.10.011

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  针对现有管道机器人环境适应能力弱、主动转向功能尚不完善等问题,提出一种仿生柔性伸缩式管道机器人设计思路。通过模仿蚯蚓的结构组成和运动机理,设计由柔性气囊和气动肌肉组成的支撑-伸缩复合运动结构,分析管道机器人多肌肉协同驱动机制与多体节连续运动原理;建立机器人的正运动学模型与逆运动学模型,基于MATLAB软件进行仿真分析。搭建管道机器人试验平台,在倾斜及弯曲管道中进行性能测试。试验表明,仿生柔性伸缩式管道机器人在30°倾斜管道内平均爬行速度为3.25 mm/s,并可以在135°的弯管内实现主动转向,具有良好的环境适应能力和运动性能。