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2021年  第43卷  第2期      刊出日期 2021-04-28   目次   上一期   下一期  
     
封面和目次
控制科学与工程·信息与通信工程
  • 针对多振源密频及波动线谱主动控制的改进算法及试验
  • 李彦,何琳,王迎春,王春雨,尹天齐
  • 2021, 43 (2):1-10[摘要](158)  [PDF  13071KB](114)
    为了让船舶机械主动隔振装置在线谱频率波动和多振源密频耦合等实船复杂工况下,仍能取得良好的振动线谱主动控制效果,研究了以多通道窄带Fx-Newton算法为基础的改进算法,提出了窄带滤波相位失真的自适应补偿器,使控制算法对线谱频率波动具有高鲁棒性;研究了多参考信号Fx-Newton算法,从多振源分离提取互不相关的多参考信号,从而解决多振源密频线谱控制难题。实验结果表明,改进窄带Fx-Newton算法对频率波动线谱的主动控制效果良好,并且对两个激振器或两台空压机组激励出的密频波动线谱也能进行稳定、高效的主动控制。
  • 卡尔曼滤波框架下优化增益异类噪声处理方法及其应用
  • 赵岩,王宁,韦道知
  • 2021, 43 (2):11-18[摘要](117)  [PDF  5942KB](99)
    针对基于卡尔曼滤波框架算法只能处理已知高斯噪声系统的局限性,设计能够同时处理含有异类噪声系统的改进算法。将不确定系统受到的干扰分成高斯噪声和未知有界噪声,对噪声特点进行分析,并将其加入状态方程和观测方程;在吸收集员滤波优点的基础上,对标准卡尔曼滤波进行改进,通过计算包含两种异类噪声系统状态的最小均方误差,得到该条件下滤波增益的调整值;将利用集员滤波得到的状态统计量以及两类噪声信息和调整后的滤波增益代入卡尔曼滤波体系,得到改进后的滤波算法。将提出的改进方法应用于不确定车辆导航系统中进行解算,仿真结果表明:改进滤波方法能够有效克服异类噪声的干扰,性能优于扩展卡尔曼滤波方法,对异类噪声具有较好的抵抗能力。
  • 频域加权LQR控制器改进设计
  • 李欣,张进秋
  • 2021, 43 (2):19-24[摘要](113)  [PDF  5114KB](106)
    基于线性二次型调节器 (Linear Quadratic Regulator,LQR) 控制方法,设计一种频域加权LQR控制器;通过对其常用滤波器进行改进,提出一种新型滤波器设计思路。当振源频率低于执行器下限响应频率,导致执行器输出减小时,通过改变滤波器参数、增大低频部分权重及控制力,可提高低于执行器响应下限频段的控制性能。仿真结果表明,频域加权的方法可以提升LQR控制器在特定频域下的控制性能;基于新型滤波器的改进频域加权LQR控制器与未改进前相比,下限响应频率之外的控制性能得到进一步提升。
  • 基于随机森林的重要性测度指标体系
  • 宋述芳,何入洋
  • 2021, 43 (2):25-32[摘要](87)  [PDF  4837KB](153)
    重要性测度分析可以找出重要特征变量,从而降低输入空间的维数,节约运算成本。基于随机森林重要性测度的分析原理,探寻随机森林的重要性测度指标与基于方差的全局灵敏度指标之间的联系,得到求解方差灵敏度主指标Si及其总指标STi的新途径。建立基于随机森林的单变量、组变量重要性测度指标,并明确具体的求解过程,完善基于随机森林的重要性测度指标体系。通过算例验证了所提基于随机森林的重要性测度指标体系的有效性及其与方差灵敏度指标之间关系的正确性。
  • 面向复杂几何模型的多级并行四面体网格生成算法
  • 徐权,刘田田,冷珏琳,杨洋,郑澎
  • 2021, 43 (2):33-39[摘要](96)  [PDF  6247KB](92)
    高性能计算机的快速发展为数值模拟提供了必需的硬件环境,数值模拟领域对网格的需求已高达数十亿到数百亿量级,而网格生成作为数值模拟的重要一环,其发展则相对滞后,很难满足并行数值模拟求解器对大规模网格的需求。本文面向复杂几何模型提出一种多级并行四面体网格生成算法,该算法首先基于模型的几何特征建立网格的尺寸场,并基于尺寸场和几何实体间的邻接关系对几何实体进行分组,将分组后的几何实体分配到不同的计算节点,在计算节点间采用前沿推进法实现三角形面网格的并行生成,然后在计算节点内对三角形面网格进行二级区域分解,将分解后的子网格分配到各进程中,最后在进程内采用多线程并行方法实现四面体网格的并行生成。通过实际应用三峡大坝模型进行验证,该算法具有良好的并行效率和可扩展性,可以在数千处理器核上实现十亿规模高质量四面体网格的并行生成。
  • 无人机位置欺骗诱导策略
  • 史鹏亮,王晓宇,薛瑞
  • 2021, 43 (2):40-46[摘要](103)  [PDF  5025KB](121)
    针对“黑飞”无人机的有效管控及处置问题,提出基于卫星导航定位位置欺骗的无人机诱导策略。结合目标无人机的精确位置信息,利用生成式导航欺骗干扰技术向目标发射虚假的卫星导航定位信号,使目标无人机飞行控制系统得到错误的位置信息,改变飞行姿态,进而偏离预设运动轨迹。通过无人机诱导试验验证了所提策略的正确性和有效性。
  • 基于北斗信号的降雨信息监测方法
  • 安豪,严卫,卞双双,邓志武,张义生
  • 2021, 43 (2):47-53[摘要](94)  [PDF  5114KB](106)
    为充分挖掘北斗信号大数据资源的应用价值,拓展其在大气海洋领域的应用方向,重点从理论上研究了利用北斗信号的极化相移监测降雨信息问题。结合北斗信号的频率和极化特征,从极化相移的定义出发,分析了北斗信号经过雨区和降雨粒子相互作用的微物理过程,建立了极化相移与降雨强度之间的数学模型;利用数值模拟方法对该数学模型进行分析得出,北斗信号极化相移对降雨强度具有敏感性,这说明了北斗信号监测降雨强度的可行性;还系统研究了雨滴谱分布、雨区路径长度和卫星仰角等关键因素对极化相移的影响,为后续开展实验验证提出了合理化建议。
  • 低调谐增益变化的10 GHz电感电容式压控振荡器设计
  • 齐晓斐,于杰,孙旭涛,高铭阳,张志勇,赵武
  • 2021, 43 (2):54-60[摘要](117)  [PDF  7020KB](88)
    基于0.18 μm CMOS工艺,设计了一种应用于无线通信和雷达系统的低变化调谐增益的电感电容式压控振荡器。该电路包括分布式偏置可变电容阵列和开关电容阵列,合理选择偏置电压扩展电容-电压曲线覆盖范围,在整个调谐电压范围内,可有效降低调谐增益。三位开关电容阵列将整个可调频率范围分为8个子频带,通过控制可变电容实现子频带内频率的调谐范围。同时采用开关可变电容阵列,有效抑制了电感电容式压控振荡器调谐增益的变化。基于1P6M 0.18 μm工艺模型的后仿真结果显示该10 GHz压控振荡器调谐增益变化率表现优异,低至21.5%,调谐频率范围为9.13~11.15 GHz,同时该压控振荡器能够实现较低的直流功耗9 mW(1.8 V电源电压),相位噪声在10 GHz时为-105 dBc/Hz@1 MHz。
航天工程·材料科学与工程
  • 航天器软件的研发路线
  • 吕良庆
  • 2021, 43 (2):61-65[摘要](104)  [PDF  3202KB](91)
    航天器自主能力构建面临着需求不断增多、多变、复杂化、未知的发展趋势,需要在软件研发方式和架构设计上做出改变。在分析已有的4种研发路线的基础上,提出第5条路线,即基于模型化、数据化设计思想的研发路线;提出具有即插即用能力的业务模型,采用电子数据单技术自底向上构建设备级和功能业务级的即插即用能力;以智能规划业务为例说明了业务模型的设计应用。路线5的目标是为构建航天器自主能力和星地之间智能管控能力提供可持续发展的基础。
  • 无人机对地目标多帧融合定位与误差收敛特性分析
  • 鲁亚飞,吴岸平,陈清阳
  • 2021, 43 (2):66-73[摘要](110)  [PDF  6112KB](100)
    对地目标高精度定位是无人机开展目标侦察、火力引导、效能评估等的重要前提,然而无人机对地目标定位精度受到误差因素多、传递链长等因素的制约。采用基于卡尔曼滤波的图像多帧配准对地面目标定位的方法,通过融合无人机获取的多帧目标图像,基于卡尔曼滤波方法,研究无人机对地目标高精度融合定位方法,并引入蒙特卡洛法进行仿真,分析基于卡尔曼滤波法多帧融合定位的误差收敛性、大小和分布,分析观测间隔、视线俯仰角等对误差收敛性的影响,形成若干提高定位精度的建议。
  • SpaceFibre网络服务质量时隙资源分配算法
  • 郑静雅,安军社
  • 2021, 43 (2):74-83[摘要](82)  [PDF  8428KB](100)
    为保证SpaceFibre星载数据网络大量实时数据流的超高速确定性传输,提出一种包含两个子算法的SpaceFibre网络服务质量时隙资源分配算法。形式化描述网络服务质量机制,给出调度矩阵相关定义;创建网络服务质量排队模型,定量分析时隙资源分配对网络时延性能的影响;考虑网络兼容性和算法鲁棒性,给出改进二进制序列调度子算法;采用提高初始种群进化程度和增加遗传算子等方法,给出改进混合单亲遗传调度子算法;利用Opnet网络仿真平台建立网络服务质量仿真模型,对比不同算法下网络时延性能。仿真结果表明,该时隙资源分配算法与其他算法相比,网络平均延时降低,网络性能得到显著改善,对构建低延时SpaceFibre网络具有参考意义。
  • 无奇点三维攻击时间控制滑模导引律
  • 常思江,吴放,陈升富
  • 2021, 43 (2):84-92[摘要](75)  [PDF  6036KB](108)
    为研究导弹在视场角约束下的三维攻击时间控制问题,提出一种三维非线性滑模导引律。利用攻击时间误差设计滑模面,推导出三维形式的俯仰和偏航加速度指令;通过对所设计制导律进行简单修正,解决了零初始前置角引起的奇点问题;从数学上证明了该导引律的稳定性和收敛性,讨论了导引律相关参数的取值范围,分析了与纯比例导引法、解耦三维导引律之间的关系。仿真结果表明,所设计导引律能够在视场角约束条件下有效实现攻击时间增大或减小的控制;俯仰和偏航平面的耦合程度越强,该导引律控制能耗小的优势越为明显。
  • 新型航空铝合金材料复杂形貌点蚀损伤应力集中效应分析
  • 刘治国,李旭东,陈川
  • 2021, 43 (2):93-101[摘要](90)  [PDF  16012KB](87)
    根据7B04铝合金材料试件模拟加速点蚀试验检测结果,并结合铝合金材料点蚀行为机制、微观结构特征与随机性过程本质,构建由多个微观椭球体合成的楔入型与合围型两种典型复杂形貌点蚀损伤模型。采用ANSYS有限元方法建模并基于线弹性断裂力学,对上述两种点蚀损伤模型的应力集中效应进行计算与分析。研究发现:两种复杂形貌特征的点蚀损伤模型产生的应力集中系数数值基本相当,各个微观椭球体蚀坑分别对应力分布产生影响并相互干涉与叠加,造成复杂形貌点蚀损伤模型的应力集中系数数值增大;两种复杂形貌点蚀损伤模型的应力主要集中在各个微观椭球体蚀坑交会的位置,大都位于宏观点蚀损伤的侧边;两种复杂形貌点蚀损伤模型的应力集中效应作用区域的尺寸与铝合金材料微观晶粒尺寸、点蚀萌生的短裂纹初期尺寸基本相当。
机械工程
  • 考虑多轴应力与共振影响的随机振动疲劳寿命预测
  • 白金,李静,仇原鹰,盛英,孙红,王海东,王肇喜
  • 2021, 43 (2):102-108[摘要](86)  [PDF  4716KB](94)
    目前工程上计算结构随机疲劳寿命时,仍经常采用基于单轴拉-压疲劳寿命(Stress-Number of cycles,S-N)曲线的应力寿命方法。虽然使用简单方便,但这种方法不仅忽视了单轴S-N曲线且不能准确反映结构在多轴应力状态下的疲劳,还忽略了随机振动中共振对结构疲劳寿命的影响,因此该方法在预测结构在随机振动下的疲劳寿命时与实际寿命往往有较大误差。对此引入三轴因子来反映结构在随机振动下的多轴应力状态,同时推广得到其在频域上的表达式,并在此基础上引入非线性函数,提出了一个新的随机振动疲劳损伤参量——多轴振动因子。新的损伤参量不仅同时考虑了结构随机振动下的多轴应力状态与共振对疲劳寿命的影响,而且该损伤参量形式简单,便于工程应用。利用新的随机振动疲劳损伤参量,得到了适用于随机振动下的多轴S-N曲线,从而建立了一种新的随机振动疲劳寿命预测方法。通过对7075-T6和LY12CZ铝合金缺口试件的随机振动疲劳寿命进行预测,结果表明该方法较准确地预测了两种缺口试件随机振动下的疲劳寿命。
  • 微结构阵列超精密车床快刀伺服装置及试验研究
  • 关朝亮,刘俊峰,李飞,王贵林
  • 2021, 43 (2):109-116[摘要](101)  [PDF  7836KB](78)
    各种微结构阵列在LED照明、液晶显示、光学仪器等领域得到了广泛的应用,但其结构细微复杂且形状表面质量要求高,其加工工艺技术研究引起了广泛的关注。本文提出压电陶瓷驱动结合柔性铰链作为刀架的快刀伺服装置,建立快刀伺服系统的机电耦合模型,研究各系统参数对系统性能的影响规律,基于有限元仿真对铰链结构参数进行优化;通过激光位移传感器测试刀具输出位移的线性度;利用研制的快刀系统和超精密车床在红铜材质的圆柱面上进行正弦网格微结构加工,加工结果表明所设计的快刀系统能够准确有效地加工出结构复杂的微结构阵列。
  • 钎杆内孔的液压低频振动扩孔工艺实验
  • 徐林红,刘志凡,高尚,饶建华
  • 2021, 43 (2):117-124, 131[摘要](100)  [PDF  20269KB](85)
    为完全去除中空钢钎杆内孔表面的氧化层和裂纹层的影响,采用深孔扩孔的方式加工钎杆内孔。针对深孔扩孔过程中存在的切屑排出困难、切削温度高、内孔表面加工质量差等问题,利用液压低频振动辅助枪钻对中空钢钎杆进行深孔扩孔,研究振动参数及加工参数对切屑形态、内孔表面质量、切削热的影响。实验结果表明:在转速为500 r/min、进给量为0.1 mm/r条件下,相对于普通扩孔,液压低频振动扩孔可减小切屑尺寸,减少切屑表面锯齿边缘现象,优化内孔加工表面,减少刀痕和划痕,降低加工温度。且当频率为36.7 Hz、振幅为0.58 mm时,切屑尺寸最小,内孔表面划痕最少,加工温度最低;随着进给量在0.80~0.12 mm/r范围内增大,切屑长度变大,内孔表面的刀痕和划痕增多;转速对切屑长度及内孔表面形貌影响较小。
  • 加权随机模拟的时变可靠性分析方法
  • 袁修开,郑振轩,罗冬秀
  • 2021, 43 (2):125-131[摘要](105)  [PDF  4371KB](91)
    针对结构时变可靠性的随机模拟分析方法计算代价大的问题,在极值方法的基础上提出基于加权随机模拟的时变可靠性分析策略。时变可靠性分析需要计算在不同时间处的失效概率,通常需要进行多次可靠性分析,计算代价巨大。所提方法通过对常规静态可靠性的随机模拟方法进行改进拓展,运用加权策略分别发展了加权蒙特卡洛法和加权重要抽样法,使之能够高效分析计算时变可靠性问题。所提方法仅需一次常规可靠性分析模拟,即可得到时变失效概率函数估计。采用管状悬臂梁和十杆桁架两个算例进行验证。结果表明,基于加权思想的分析方法在能确保精确度的前提下能够大幅度减小计算量,提高计算效率。
  • 考虑刚度影响的双输入转矩分流式齿轮系统均载特性
  • 魏维,郭文勇,韩江桂,余平波
  • 2021, 43 (2):132-140[摘要](105)  [PDF  6926KB](102)
    为了对转矩分流齿轮系统均载特性进行更加深入的研究,建立系统非线性动力学模型,采用数值仿真方法计算系统的均载系数,分析联动轴扭转刚度、输出轴支撑刚度、输入转速以及轴位角对均载系数的影响规律,并对齿轮系统进行实验研究。研究结果表明:输出端的均载系数大于输入端的均载系数,高压输入端的均载系数大于低压输入端的均载系数;均载系数随联动轴扭转刚度的增加而增加,随支撑刚度的增加先减小后平缓;在不同转速下均载系数呈现波动变化,在4 100 ~ 4 400 r/min输入转速区间出现了谐振峰;轴位角a2的值会影响均载系数随a1变化的规律,尽可能减小轴位角可以提高系统的均载性能。通过实验测试验证了本文分析模型的正确性。
  • 圆柱形装药驱动轴向预制破片飞散特性
  • 李茂,高圣智,侯海量,李典,郑红伟,李永清,朱锡
  • 2021, 43 (2):141-147[摘要](92)  [PDF  7786KB](85)
    为了增强柱形战斗部轴向威力,在无壳柱形战斗部底面布置单层离散的预制破片。开展圆柱形TNT装药驱动轴向预制破片飞散试验,获得预制破片的最大初速、飞散角等特征参数;运用LS-DYNA软件对装药驱动预制破片过程进行数值模拟,阐述预制破片群飞散过程;对装药驱动整体平板理论计算公式进行改进,获得预制破片的最大初速。结果表明:破片初速理论计算结果、数值计算结果和试验结果吻合良好;随着与装药底部中心距离的加大,破片初速、径向飞散角分别近似呈“抛物线”减小、增大;试验实测、理论计算得到的破片最大初速值超过2500 m/s,试验实测的径向飞散角最大约为22°,而周向飞散角则普遍较小,均值在5°以内。
  • 新型扫雷装药爆炸场特性分析及应用
  • 吴克刚,王博
  • 2021, 43 (2):148-154[摘要](91)  [PDF  6506KB](86)
    基于爆破法扫雷爆破筒扫雷作用原理,设计了8.2 kg一次引爆型固态FAE扫雷装置。通过改变起爆位置和设置方式,多次野外近地面爆炸试验,采用反射压力传感器在装药正向与侧向离爆点不同位置进行压力测试,同时在正向测线压力传感器的对应位置设置某型防步兵地雷,得到爆炸场不同位置处的爆炸参数以及防步兵雷扫雷范围。结果表明:水平设置扫雷装药的扫雷范围明显大于垂直设置的装药,最佳炸高约为0.60 m;且其爆炸场正压区作用时间曲线呈“V”形,产物作用范围达63倍装药半径,与等当量的TNT的作用时间有明显的优势;本装置的扫雷范围约为目前扫雷爆破筒爆破扫雷范围的1.8~3.85倍,正向可靠扫雷范围可达其装药半径的77倍,侧向达69倍。由于该装药爆炸作用区域正压作用时间明显加长,因此有利于各种地雷的清除,是一种潜在高效的爆破法扫雷装药。
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