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High-precision gyro-stabilized control of a gear-driven platform with a floating gear tension device

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Frontiers of Mechanical Engineering 2021年第3期16卷 487-503页

作者： Xianliang JIANG Dapeng fan shixun fan Xin XIE Ning CHEN College of Intelligence Science and Technology National University of Defense TechnologyChangsha 410073China

This study presents an improved compound control algorithm that substantially enhances the antidisturbance performance of a gear-drive gyro-stabilized platform with a floating gear tension *** tension device can provide a self-adjustable preload to eliminate the gap in the meshing ***,the weaker gear support stiffness and more complex meshing friction are also induced by the tension device,which deteriorates the control accuracy and the ability to keep the aim point of the optical sensors isolated from the platform *** modeling and compensation of the induced complex nonlinearities are technically challenging,especially when base motion *** aim of this research is to cope with the unmeasured disturbances as well as the uncertainties caused by the base lateral ***,the structural properties of the gear transmission and the friction-generating mechanism are analyzed,which classify the disturbances into two categories:Time-invariant and time-varying ***,a proportional-integral controller is designed to eliminate the steady-state error caused by the time-invariant disturbance.A proportional multiple-integral-based state augmented Kalman filter is proposed to estimate and compensate for the time-varying disturbance that can be approximated as a polynomial *** effectiveness of the proposed compound algorithm is demonstrated by comparative experiments on a gear-drive pointing system with a floating gear tension device,which shows a maximum 76%improvement in stabilization precision.

关键词： inertially stabilized platform floating gear tension device nonlinear friction disturbance compensation proportional multiple-integral observer

Analysis and control of micro-stepping characteristics of ultrasonic motor

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Frontiers of Mechanical Engineering 2020年第4期15卷 585-599页

作者： Ning CHEN Jieji ZHENG Xianliang JIANG shixun fan Dapeng fan College of Intelligence Science and Technology National University of Defence and TechnologyChangsha 410073China

Micro-stepping motion of ultrasonic motors satisfies biomedical applications, such as cell operation and nuclear magnetic resonance, which require a precise compact-structure non-magnetization positioning device. When the pulse number is relatively small, the stopping characteristics have a non-negligible effect on the entire stepwise process. However, few studies have been conducted to show the rule of the open-loop stepwise motion, especially the shutdown stage. In this study, the modal differences of the shutdown stage are found connected with amplitude and velocity at the turn-off instant. Changes of the length in the contact area and driving zone as well as the input currents, vibration states, output torque, and axial pressure are derived by a simulation model to further explore the rules. The speed curves and vibration results in functions of different pulse numbers are compared, and the stepwise motion can be described by a two-stage two-order transfer function. A test workbench based on the Field Programmable Gate Array is built for acquiring the speed, currents, and feedback voltages of the startup–shutdown stage accurately with the help of its excellent synchronization performances. Therefore, stator vibration, rotor velocity, and terminal displacements under different pulse numbers can be compared. Moreover, the two-stage two-order model is identified on the stepwise speed curves, and the fitness over 85% between the simulation and test verifies the model availability. Finally, with the optimization of the pulse number, the motor achieves 3.3 µrad in clockwise and counterclockwise direction.

关键词： ultrasonic motor stepping characteristics pulse number control synchronous acquisition system precise positioning

Design methodology of differential inductive sensors with large measuring range

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Design methodology of differential inductive sensors with la...

2023智能制造与机械动力学学术大会

作者： Qiang He shixun fan Zhian He Diansheng Ouyang Peng Yang Dapeng fan

With the advantages of high resolution,structual simplicity,reliability,compact size,and high sensitivity,inductive sensors have been widely used in nanopositioning ***,the measuring range of traditional inductive sensors are usually limited to 0.2 mm.A novel design methodology of differential inductive sensors towards large range with uncompromised performance is *** main optimization objective of the proposed method is to improve the Q value of the inductive sensor probe,thus ensure the performance of the differential inductive sensor with large range *** by design example,the proposed methodology can guide the design of the inductive sensor with large measuring range of ±0.5 mm.

关键词： inductive sensors nanopositioning systems large range design methodology

来源： cnki会议评论

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消隙齿轮伺服系统动力学建模与频率特性

航空学报 2015年第3期36卷 987-994页

作者：廖洪波范大鹏范世珣国防科学技术大学机电工程与自动化学院长沙410073

消隙齿轮广泛应用于航天精密伺服机构领域,具有高精度、高响应速度和高稳定性的要求,故需对其频率特性进行研究。依据两质量系统建模方法,建立了消隙齿轮伺服系统包含线性和非线性两部分的动力学模型。以普通直齿轮分段死区模型为基础,... 详细信息

消隙齿轮广泛应用于航天精密伺服机构领域,具有高精度、高响应速度和高稳定性的要求,故需对其频率特性进行研究。依据两质量系统建模方法,建立了消隙齿轮伺服系统包含线性和非线性两部分的动力学模型。以普通直齿轮分段死区模型为基础,建立了消隙齿轮分段死区模型,给出了模型中等效传递刚度的计算方法,特别是消隙扭簧扭转刚度的计算方法。利用数值仿真分析方法,对所建立的消隙齿轮伺服系统动力学模型进行了仿真分析,给出了传动轴刚度、静态间隙和扭簧刚度对系统谐振特性的不同影响结果。结果表明:静态间隙与扭簧刚度是影响消隙齿轮伺服系统谐振频率的重要因素。

关键词：消隙齿轮等效刚度谐振频率间隙消隙扭簧

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旋转双棱镜引起的成像畸变及其校正

光学学报 2015年第9期35卷 135-142页

作者：周远范世珣刘光灿陈英范大鹏长沙学院电子信息与电气工程系湖南长沙410022 国防科技大学机电工程与自动化学院湖南长沙410073

针对旋转双棱镜扫描成像中棱镜引起的成像畸变进行研究并通过逆向光线追迹对其实施校正。为估算畸变的特点和程度,根据视轴指向及视场尺寸确定棱镜转角和入射光方向,基于矢量形式的折射定律对视场跨度内的光线通过两棱镜实行追迹。以锗... 详细信息

针对旋转双棱镜扫描成像中棱镜引起的成像畸变进行研究并通过逆向光线追迹对其实施校正。为估算畸变的特点和程度,根据视轴指向及视场尺寸确定棱镜转角和入射光方向,基于矢量形式的折射定律对视场跨度内的光线通过两棱镜实行追迹。以锗棱镜的红外成像及玻璃棱镜的可见光成像为例模拟成像变形。结果表明,图像沿着偏离系统轴的方向被压缩。偏转角越大,图像变形越突出。为校正成像畸变,从像点通过棱镜实行逆向光线追迹。针对可见光成像搭建旋转双棱镜扫描成像系统并分析其成像畸变,结果表明成像畸变的模拟预测与实验观测结果相符。无论针对模拟图像还是实际图像,逆向光线追迹都能有效地校正成像畸变,改善成像质量。该畸变分析及其校正方法对旋转双棱镜成像应用具有一定的参考价值。

关键词：成像系统畸变校正光线追迹旋转双棱镜扫描成像

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高力矩密度振镜电动机设计

机械工程师 2023年第5期 49-53,58页

作者：陈凡范世珣浦栋麟孟瑾阮鹏江苏集萃华科智能装备科技有限公司江苏无锡214174 华中科技大学无锡研究院江苏无锡214174 国防科技大学智能科学学院长沙410073

提出了一种基于麦克斯韦电磁力原理的新型高输出力矩密度振镜电动机磁路结构,对该型振镜电动机的工作原理进行了分析,建立了其输出力矩的理论模型,并进行了有限元仿真分析。仿真结果表明,与尺寸近似的传统的安培力原理振镜相比,文中提... 详细信息

提出了一种基于麦克斯韦电磁力原理的新型高输出力矩密度振镜电动机磁路结构,对该型振镜电动机的工作原理进行了分析,建立了其输出力矩的理论模型,并进行了有限元仿真分析。仿真结果表明,与尺寸近似的传统的安培力原理振镜相比,文中提出的振镜电动机可以实现传统安培力原理振镜电动机7.9倍的输出力矩密度。通过对所设计的振镜电动机进行控制系统建模仿真,进一步分析出文中所设计的高输出力矩密度振镜电动机的电流环与位置环的闭环控制带宽,分别为10.50、1.16 kHz,与传统的振镜电动机相比,在参数上具有明显的优势。

关键词：麦克斯韦电磁力电磁作动器高转矩密度

动力调谐陀螺再平衡回路技术的发展与研究现状

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导弹与航天运载技术 2008年第1期 36-40页

作者：张连超范大鹏范世珣国防科学技术大学机电工程与自动化学院长沙410073

分别介绍了动力调谐陀螺模拟和数字脉冲再平衡回路的发展与研究现状,分析了两种再平衡回路由于线路引起漂移误差的主要原因,比较了模拟和数字再平衡回路的优缺点。探讨了用DSP直接数字控制实现再平衡回路的方法及这种方法的优缺点,给出... 详细信息

分别介绍了动力调谐陀螺模拟和数字脉冲再平衡回路的发展与研究现状,分析了两种再平衡回路由于线路引起漂移误差的主要原因,比较了模拟和数字再平衡回路的优缺点。探讨了用DSP直接数字控制实现再平衡回路的方法及这种方法的优缺点,给出了数字控制回路中值得研究的问题。

关键词：动力调谐陀螺再平衡回路漂移误差

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旋转双棱镜目标跟踪的非线性问题分析

光学学报 2021年第18期41卷 210-222页

作者：周远陈英蒋国保汪之又邹莹畅范世珣范大鹏胡放荣长沙学院电子信息与电气工程学院湖南长沙410022 国防科技大学智能科学学院湖南长沙410073 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院广西桂林541004

旋转双棱镜用于目标跟踪时,其光束转向与棱镜旋转之间存在非线性关系。基于两步法解算两套棱镜角位置逆向解,沿目标移动方向求其方向导数来计算棱镜转速与光束转向率的比值,分析不同指向目标沿不同方向移动时的棱镜驱动和控制要求。结... 详细信息

旋转双棱镜用于目标跟踪时,其光束转向与棱镜旋转之间存在非线性关系。基于两步法解算两套棱镜角位置逆向解,沿目标移动方向求其方向导数来计算棱镜转速与光束转向率的比值,分析不同指向目标沿不同方向移动时的棱镜驱动和控制要求。结果表明:对于确定的旋转双棱镜系统,目标跟踪对棱镜驱动和控制要求只取决于当前目标指向偏转角及目标移动方向与径向的夹角;目标沿切向或径向移动,将分别导致系统观测场中央区和边缘区目标跟踪的棱镜旋转控制奇异性;目标跟踪对两棱镜旋转驱动和控制的要求存在微小差异,基于两套逆向解的分析结果无显著差异。

关键词：光学器件旋转双棱镜目标跟踪非线性问题非近轴光线追迹

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机电装置频率特性的数字化测试方法研究

动力学与控制学报 2007年第1期5卷 92-96页

作者：范世珣范大鹏张智永孙海洋国防科技大学机电工程与自动化学院长沙410073

机电装置的动力学模型是研究装置特性、开展控制器设计的基础.本文对机电控制系统设计中的实验建模问题进行了研究.提出了使用dSPACE半实物仿真系统进行机电装置频域特性测试和模型辨识的数字化测试方法,从理论上推导了频响函数的最佳... 详细信息

机电装置的动力学模型是研究装置特性、开展控制器设计的基础.本文对机电控制系统设计中的实验建模问题进行了研究.提出了使用dSPACE半实物仿真系统进行机电装置频域特性测试和模型辨识的数字化测试方法,从理论上推导了频响函数的最佳估计原理,从实际上分析了测试参数的选取原则,并给出了实验和分析结果.使用该方法可以方便地得到被测系统的频率特性曲线和传递函数解析式,并能将模型参数导入Matlab控制工具箱进行控制器的设计,为进一步开展机电装置的动力学和控制综合优化问题提供了有效手段.

关键词：频率特性数字化测试 dSPACE MATLAB/Simulink