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关键词： 显微图像   机器视觉   应变传感器   应变监测  

摘要： 土木工程结构的服役时间往往长达数十年,对人们的生产生活意义重大。因此,对其进行长期的健康监测,确保在其整个使用寿命期间安全可靠的运行是很有必要的。应变可以用来评估结构和材料的力学性能,在许多领域中都扮演着至关重要的角色。目前常用的应变测量手段包括了电阻应变计、光纤传感器、振弦式应变计等,这些方法精度高、稳定性好,但其成本较高,同时需要专业的信号采集装置,难以更为广泛地推广到结构安全集群监测中去。 基于机器视觉的显微图像应变传感(Micro image strain sensing,MISS)技术是一种新兴的应变测量方法,具有低成本、高精度、操作简单、便携等特点,可以有效的弥补传统方法的缺陷。通过该技术,可实现对土木工程结构的应变测量,但该技术目前还是实验内的可行性研究,还不适用于长期的监测。针对结构安全的集群监测中,应变监测难以推广的问题,在MISS方法的可行性研究基础上,本文主要进行其工程实践上的应用研究,主要进行了以下几项工作: (1)进行了传感器的结构设计与优化,提高了其工程适用性和性能。针对传感器在野外长期监测面临的如水分侵蚀、光照等问题,对MISS传感器进行了封装与工装的设计;其次,为了实现对传感器的数据及时被监测、分析和处理,利用timer工具对传感器的数据传输与处理进行了集成。 (2)进行了传感器的传感特性研究。在实验室内下使用步进电机对MISS传感器进行了模拟加载试验,并与FBG进行了对比分析,其测量的应变值与FBG吻合良好;得到了传感器的各项性能参数,包括灵敏度、量程、零点漂移、线性度、迟滞、重复性等,验证了MISS传感器的测量精度和可靠性。 (3)进行了两次MISS传感器的工程实践,验证了传感器的工程适用性。在钢索超张拉工艺监测中,记录了钢索的超张拉全过程的应变变化过程,包括温度升高、液压调整、峰值、稳定后的应变;输电塔长期的应变监测数据表明,输电塔的应变受气温影响明显,呈周期性变化,所安装的两个传感器变化趋势一致,数据接近,验证了监测数据的有效性。

关键词： 永磁同步电机   无位置传感器控制   自适应扩展卡尔曼滤波   矢量控制  

摘要： 在永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）控制系统中,位置信息获取的准确性是实现系统控制的关键,直接影响电机性能的发挥。位置信息的获取多采用传感器完成,但传感器的安装会限制PMSM的应用场所,增加系统维护成本。因此,对PMSM无位置传感器算法进行研究十分必要。本文基于扩展卡尔曼滤波（Extend Kalman Filter,EKF）算法,对PMSM无位置传感器控制算法展开研究,针对在粗差干扰及统计偏差的情况下,EKF对PMSM的位置信号估计存在精度下降的问题,提出一种自适应扩展卡尔曼滤波算法。主要研究内容如下: （1）建立永磁同步电机矢量控制模型。基于坐标变换方法,在静止坐标系与旋转坐标系下建立了PMSM的数学模型,再对SVPWM及PI控制的数学原理进行推导,并对id=0矢量控制系统进行了简要介绍。最后,基于Matlab平台搭建了矢量控制模型,对FOC算法进行了仿真验证分析。 （2）对基于扩展卡尔曼滤波的PMSM无位置传感器控制算法进行研究。首先,详细阐述了卡尔曼滤波的原理,并对算法作用方法进行详细说明。其次,基于PMSM的电流方程与运动方程,构建EKF的状态方程,并对其进行离散化与线性化处理。最后,基于Matlab平台,搭建了基于EKF的PMSM无位置传感器矢量控制系统,并对其进行仿真分析。 （3）针对粗差干扰下EKF估计性能下降问题,提出一种自适应扩展卡尔曼滤波方法。首先,将粗差引入到系统状态方程,分析其对EKF的影响。其次,在新息协方差的计算上,设置自适应规则,并将其更新至卡尔曼增益矩阵的计算中。最后,基于Matlab仿真平台,建立基于AEKF的PMSM无位置传感器控制系统,对AEKF与EKF两种控制算法进行对比分析,验证所提算法的有效性。 （4）对基于AEKF的PMSM无位置传感器矢量控制系统进行软硬件设计及实验验证,证明所提方法的可行性。

关键词： 无轴承薄片电机   同步磁阻电机   悬浮力绕组   无速度传感器   数字控制  

摘要： 随着中国进入创新型国家行列,二十大要求坚持以推动高质量发展为主题,把实施扩大内需战略同深化供给侧结构性改革有机结合,因此我国需要更加先进的电气传动系统。然而,国际稀土价格持续走高,常用的永磁材料通常需要大量的稀土资源,如何使用无永磁体电机替代永磁电机已经成为电机设计中的一个重要内容。无轴承同步磁阻薄片电机(Bearingless Synchronous Reluctance Slice Motor,BSyn RSM)是一种可以用于高洁净、不易维护环境中的新型电机,其有着无摩擦、高速度等突出优点。无轴承薄片电机通常使用的霍尔传感器系统导致电机难以小型化、提高了电机的成本,且对电机的可靠性造成不良影响。然而,过去的无速度传感器检测方法通常忽略悬浮力绕组的影响,降低了检测的精度。考虑悬浮力绕组影响的无速度传感器系统将有效的解决以上问题。本论文以BSyn RSM为研究对象,研究了工作原理、数学模型、悬浮力绕组对转矩绕组的影响、无速度传感器控制系统以及数字控制系统,主要工作及取得成果如下:1、阐述了无轴承薄片电机的研究背景及意义,基于结构特点综述了无轴承电机的研究现状,并对无轴承薄片电机无速度传感器的发展进行分析。在分析BSyn RSM的基本结构和工作原理基础上,构建了BSyn RSM数学模型。2、通过有限元软件构建BSyn RSM数学模型,分析悬浮力绕组对转矩绕组的影响,并对转矩绕组中产生的附加转矩与附加电流进行分析,在Matlab/Simulink中构建考虑悬浮力绕组影响下的无轴承同步磁阻薄片电机模型。基于所建立的Matlab/Simulink模型,分析了悬浮力绕组对常用的高频注入法无速度传感器系统和滑模观测器(Slide Model Observer,SMO)无速度传感器系统的影响。仿真结果表明,在观测参数中使用电流信号或转矩信号的无速度传感器系统,会由于悬浮力绕组影响,估计转速会有更高的振动,且系统稳定性会降低。3、为降低悬浮力绕组对无速度传感器系统的影响,提出了一种改进的SMO无速度传感器控制系统,使用双曲正切函数替代SMO系统中原有的开关函数,使用锁相环系统代替反正切函数对所获得的反电动势进行测量。经分析,改进的SMO无速度传感器控制系统有效的降低了由悬浮力绕组导致的转速估计振动幅值与频率,提高了系统运行的稳定性。4、为降低悬浮力绕组对低速与中高速状态下,两种无速度传感器系统切换过程造成的影响,使用切换函数代替滞环比较器,并使用改进粒子群算法对切换函数进行优化。最后,构建了基于优化所得切换函数与改进SMO系统的全速域BSyn RSM无速度传感器控制系统,并进行仿真试验,从结果可知,所提出的无速度传感器控制方法,具有良好的静态性能与动态性能。5、构建了以DSP为核心的数字控制实验平台,对电机控制系统的硬件电路设计部分和软件控制算法部分进行了设计,并对BSyn RSM霍尔传感器转速测量系统进行改进。利用所构建的实验平台对所提出的无速度传感器控制策略的进行了验证。

关键词： 无轴承永磁薄片电机   三矢量模型预测控制   无位移传感器   BP神经网络   数字控制  

摘要： 随着我国制造能力不断提高,对制造产业优化升级提出了更高的要求,“中国制造2025”的发展战略明确指出提高电气传动设备以推动高端制造业产业升级。为解决传统电机普遍存在的摩擦问题,本文以无轴承永磁薄片电机(Bearingless Permanent Magnetic Slice Motor,BPMSM)为研究对象,其具有无磨损、体积小、密封性好、功率密度大等优点,可以将其作为泵的驱动核心,用来实现液体的无污染传输。在生命科学、航空航天及半导体加工等对精度和洁净度要求较高的特殊传动领域中发展潜力巨大。以BPMSM为研究对象,对其工作原理、数学模型、模型预测控制以及无位移传感器技术等内容开展研究,主要完成工作及取得成果如下:1、综述了无轴承永磁薄片电机的研究背景及意义,总结了BPMSM的发展趋势及应用前景,分析了BPMSM的基本结构和工作原理,并推导出了BPMSM的径向悬浮力及电磁转矩数学模型。2、针对BPMSM的传统控制策略在数字控制系统中信号延迟导致控制精度降低等问题,提出采用模型预测控制方法控制BPMSM。在转矩控制使用单矢量的模型预测转矩控制,在悬浮力控制采用三矢量模型预测悬浮力控制,结合BPMSM实际数学模型给出了其预测悬浮力模型、代价函数和作用时间计算方法,并优化了候选电压矢量组合,为提高磁链观测精度,提出采用基于二阶广义积分器(SOGI)的磁链观测器观测磁链。最后,构建了BPMSM模型预测控制系统,仿真表明所提出的方法相比传统矢量控制在转速动态响应、控制精度及抗干扰能力方面具有优越的性能。3、针对BPMSM在工程应用中位移传感器带来的成本提高和体积增大等问题,提出采用基于BP神经网络的无位移传感器技术检测转子位移。建立了BPMSM位移子系统,判别出BPMSM位移子系统左可逆基础上,用BP神经网络构建了左逆系统,并串联于模型预测控制之后,实现了BPMSM位移检测。最后利用仿真验证了所提出的位移自检测方法具有优越的跟踪能力。4、研制了以DSP为核心的数字控制实验平台,设计了电机控制系统的硬件电路和软件控制算法,开发了基于Lab VIEM的可视化上位机界面,对所提出的模型预测控制进行了加速、干扰、起浮等实验,结果表明所提出的控制策略与传统矢量控制策略相比,具有鲁棒性好、控制精度高、动态响应快等优点。

关键词： 水培农业   智慧农业   现代农业   物联网技术   传感器技术  

摘要： 随着人口城镇化政策的实施,我国传统农业生产者数量呈现逐年下降的趋势。为贯彻落实新时代思想,尽快实现我国现代化建设目标,加强农业现代化建设是必要实现途径。因此探索一套智能化、无人化的农业作物生长环境控制系统是目前农业发展的首要目标。在我国现代化农业生产技术改革的过程中,主要存在两种作物栽培方式:土壤种植和无土栽培。目前我国无土栽培技术有基质营养液栽培、岩棉栽培两种,其中基质营养液栽培普遍被定义为水培技术。无土栽培中的水培技术是目前相对成熟的技术,对于提高土地资源利用效率、降低环境污染、实现精确种植等方面具有突出贡献。本文研究的基于物联网的作物水培环境智能控制系统运用计算机网络技术和物联网技术,有利于实现对作物各个生长时期对作物生长环境实现精确化、智能化、无人化管理,在资源浪费大、资源利用效率低和经济效益低等瓶颈中,具有突出优势,减少如病虫害、自然灾害和自然环境对作物生长造成的不可逆影响,尽可能提高资源利用率与生产效率,同时减少对环境的污染。本文围绕无土栽培环境下的水培技术发展需求,基于物联网技术设计并实现了一套针对作物在各个生长阶段的环境控制系统,对作物生长环境进行实时监测、控制和管理。首先研究国内外现代农业发展现状,对现代农业生产中存在的缺陷和瓶颈进行分析:农业发展存在资源利用效率低、资源浪费大、环境污染不可逆和投资风险较大等缺陷,其原因在于没有一套完善的作物环境控制系统和算法对作物最佳生长环境进行预测和控制。故本文提出一套基于物联网的作物水培环境智能控制系统,对作物生长各个阶段进行实时监测,通过算法,实现对作物环境的控制。通过物联网和计算机控制,进一步提高了农业生产过程中的自动化水平,并且降低系统操作难度,为用户提供方便简洁、客观明了的控制终端,实现对作物生长环境的实时查看、控制和反馈。本文研究的基于物联网的作物水培环境智能控制系统主要实现以下功能:(1)软件方面:用户可以实时对作物生长环境的查看、控制和意见反馈,提高农业无人化生产和自动化水平。(2)硬件方面:实现对作物生长环境的实时监测、控制,能够实时采集作物生长环境数据并进行数据传输,使各个部件能够正常工作。(3)算法方面:本研究基于物联网的作物水培环境智能控制系统在控制算法方面,基于增量型PID控制算法思想和模糊控制算法思想,设计并实现了基于误差率的环境控制算法,对环境进行控制。系统测试结果表明,本文设计并实现的基于物联网的作物水培环境智能控制系统能够在实际生产环境中进行运用,硬件、软件部分均能够正常工作,完成系统相关需求,为水培农业环境控制方面的发展提供一套可行性方案。

关键词： 传感器技术   微量气体检测   光声光谱   变压器   油中溶解气体分析  

摘要： 为了满足变压器中绝缘纸板因过热或者放电故障产生的一氧化碳气体的在线监测需求,提出了一种基于光纤光声传感的油中溶解一氧化碳气体检测技术。采用光声光谱气体检测技术、并结合光纤传感和膜分离技术,设计了集成油气分离和气体检测功能于一体的光纤光声传感探头,油中溶解的一氧化碳气体通过油气分离膜进入到光纤探头中的微型气腔;采用两根光纤将探头连接到解调仪器,分别传输近红外激发光和探测光;气体吸收光能产生的光声信号被光纤法布里-珀罗传感器探测,并被设计的光纤光声解调模块进行信号处理,获得系统对一氧化碳气体体积分数的检测灵敏度为0.345pm/10^(-6)。结果表明,所设计的光纤传感系统对油中溶解一氧化碳气体体积分数检出限达到5×10^(-6)。该研究具有精度高、抗电磁干扰、脱气简单的优势,为变压器油中溶解一氧化碳气体的检测提供了新方法。

关键词： 工业机器人   视觉传感器   光电传感器   传感器技术   多关节机械手   动力能源   多自由度   工业生产  

摘要： 自动化、智能化、集成化是目前科技发展的三个重要方向,并且,围绕它们诞生的产品正在不断地改变我们的生活,其中也包括了我们今天话题的主角--工业机器人。工业机器人泛指用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置,可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能,是目前工业生产中重要的设备。早在20世纪60年代,工业机器人就在工业领域考试投入使用,而促使这项技术成熟的,是当时飞速发展的传感器技术,包括起到重要作用的光电传感器以及视觉传感器。

关键词： 传感器技术   机电自动化控制   实际应用  

摘要： 传感器是机电一体化控制系统中的一个重要组成部分,它的应用范围很广,它是由计算机技术来实现的,可以对各种数据进行加工和处理。目前,传感器已经成为了国家高新技术领域的重要组成部分,它不但为国家的科学技术发展打下了坚实的基础,也推动了我国社会和经济的可持续发展。因此,企业必须充分认识和把握传感器在企业中的作用,并结合自身的发展状况,对其进行合理的应用,以确保企业最终的经济效益。本文着重对目前国内外的检测技术进行了分析,并对其在机电一体化过程中的应用进行了较为详尽的阐述。