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  • 2022年第49卷第2期文章目次
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    • 基于数字孪生的掘锚一体机实时状态映射

      2022, 49(2):1-12.

      摘要 (1026) HTML (0) PDF 2.93 M (867) 评论 (0) 收藏

      摘要:数字孪生是一种实现复杂装备在物理世界与信息世界互联融合的新兴技术,在复 杂装备模拟仿真、监控分析、诊断预测、优化控制等方面有着广阔的应用前景 . 本文以掘锚一 体机为对象,对复杂装备数字孪生运动与建模分析、数据传递及双向映射开展了研究. 在数字 孪生行为一致性方面,基于历史物理仿真数据库与实时驱动数据,实现了掘锚一体机运动学 快速仿真分析 . 同时,提出了掘锚一体机数字孪生几何模型库构建技术,通过有限状态机、快 速布尔运算等方法实现了掘锚一体机状态镜像映射,以及运动过程中服役环境实时仿真 . 此 外,在实时状态映射方面,提出了掘锚一体机数字孪生虚实映射技术,通过在线采集与传递孪 生数据,实现了基于异步传输的信息实时传递. 对于掘锚一体机整机抬升、进给、挖掘、煤渣拢 料等运动过程,数据处理平均延迟时间小于 10-2 ms,运动学插值处理数据误差小于 3%,开发 的掘锚一体机数字孪生仿真帧率达到 74.3帧/s,实现了融合服役环境的掘锚一体机实时状态 映射与作业流程实时在线监测.

    • 基于Ordered SIMP插值模型的 点阵-实体复合结构拓扑优化设计方法

      2022, 49(2):13-19.

      摘要 (940) HTML (0) PDF 3.32 M (538) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了提高点阵材料结构件的力学性能,提出了一种基于 Ordered SIMP 方法的点 阵-实体复合结构拓扑优化方法. 采用一种三维X型微结构单元作为点阵材料,通过数值拟合 建立点阵材料相对密度与其等效物理属性之间的函数关系 . 在宏观结构拓扑优化问题中,以 点阵材料等效密度为设计变量,基于Ordered SIMP插值方法建立点阵材料和实体材料相结合 的多材料插值模型,进而,以材料体积用量为约束,以结构柔度最小化为目标实现点阵-实体 复合结构的多尺度拓扑优化设计 . 通过数值算例和实验测试表明,相比于仅使用点阵材料填 充的设计,本方法能够获得更好的结构刚度.

    • 直廓环面蜗杆传动的高次方修形原理

      2022, 49(2):20-30.

      摘要 (852) HTML (0) PDF 1.75 M (394) 评论 (0) 收藏

      摘要:系统地建立了高次方修形直廓环面蜗杆传动的数学模型,用微分几何和啮合理论 等理论推导了蜗杆副的曲率参数,啮合函数以及曲率干涉界线函数 . 证明了直廓环面蜗杆的 齿面为不可展的直纹面,这与其蜗杆的齿面形成原理相吻合 . 利用最小二乘法拟合无量纲化 的修形数据得到普适型高次方修形曲线,基于此曲线推导出工艺传动比的计算公式,得到高 次方修形蜗杆传动 . 根据不同次修形曲线修形的数值算例分析表明,高次方修形可消除原始 型直廓环面蜗杆齿面的常接触线,有效的增大了蜗杆副齿面的共轭区面积,修形后蜗杆全长 可被利用,承载能力强. 但高次方修形后的蜗杆副齿面存在曲率干涉界线,有可能导致蜗杆副 发生根切.

    • 四轮驱动EV自适应抗差无迹粒子滤波状态估计

      2022, 49(2):31-37.

      摘要 (387) HTML (0) PDF 829.79 K (310) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对四轮毂电机驱动电动汽车转矩控制中整车质心侧偏角等关键状态参数无法 直接检测及车速等测量值易受到随机误差干扰的问题,建立四轮毂电机驱动电动汽车七自由 度动力学模型,进行整车行驶状态参数滤波估计. 结合抗差滤波原理及无迹粒子滤波算法,提 出一种整车状态滤波估计方法 . 运用自适应抗差无迹粒子滤波,实现电动汽车行驶过程中纵 向速度、侧向速度和质心侧偏角的准确滤波估计 . 搭建 CarSim 与 Matlab/Simulink 联合仿真实 验平台对估计算法进行验证 . 结果表明:所搭建四轮毂电机驱动汽车动力学模型对整车行驶 状态具有较高的预测精度;基于自适应抗差无迹粒子滤波算法能实现整车行驶状态估计,能 有效对测量参数进行滤波,且具有较高的估计精度.

    • EHB用无刷直流电机齿槽转矩抑制方法研究

      2022, 49(2):38-46.

      摘要 (632) HTML (0) PDF 2.43 M (364) 评论 (0) 收藏

      摘要:由于齿槽结构的影响,无刷直流电机(brushless direct current motor ,BLDCM)中存 在齿槽转矩,会导致转矩脉动增加,从而影响无刷直流电机的性能 . 为此,以电子液压制动系 统(Electro-hydraulic brake system,EHB)用BLDCM为研究对象,对结构参数进行分析及改进, 来抑制 BLDCM 的齿槽转矩 . 首先,通过对齿槽转矩表达式进行推导和分析,发现其数值由基 本结构参数以及傅里叶分解系数 Br(nz/2p)和 Gn所决定;其次,分别推导了偏心距、极弧系数和辅 助槽与傅里叶分解系数的关系式,进而得到三者与齿槽转矩的变化关系;最后,通过有限元方 法研究了偏心距改变、极弧系数变更和辅助槽添加三种情况下齿槽转矩的变化情况 .结果表 明:当偏心距、极弧系数和辅助槽形状分别为7.90 mm、0.74、椭圆形时,对应的齿槽转矩峰值分 别降低96.65%、90.48%、86.74%,齿槽转矩都得到明显抑制.

    • 基于纳米压痕测试的骨骼力学 特性解剖学区域差异研究

      2022, 49(2):47-54.

      摘要 (814) HTML (0) PDF 3.79 M (521) 评论 (0) 收藏

      摘要:厘清骨骼不同解剖学区域的力学性能差异可为构建高生物逼真度的骨骼有限元 模型提供重要依据. 从牛股骨中段的前、后、内、外四个解剖学区域各制备一个试样,采用玻式 压头对每个试样分别进行18个点的纳米压痕试验,记录加载力和压入深度的时间历程曲线, 获得各压痕点的压入模量和硬度 . 结果显示长骨前侧、后侧、外侧、内侧的压入模量分别为 20.78 ± 2.66 GPa、18.66 ± 2.57 GPa、16.39 ± 2.29 GPa、21.57 ± 2.19 GPa,硬度分别为0.65 ± 0.79 GPa、0.58± 0.08 GPa、0.44 ± 0.06 GPa、0.61 ± 0.15 GPa. 方差分析表明,解剖学区域对压入模量 和硬度的影响显著(p < 0.001);组间多重比较表明,前侧试样的压入模量和硬度显著高于外侧 试样,内侧试样的压入模量和硬度显著高于外侧试样,后侧试样的硬度显著高于外侧试样,内 侧试样的压入模量显著高于外侧试样 . 因此,采用非均一材料将有助于提升长骨有限元模型 的生物逼真度.

    • 基于改进蒙特卡洛法求解辐射 传热问题的计算精度评价

      2022, 49(2):55-62.

      摘要 (822) HTML (0) PDF 1.37 M (448) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对传统蒙特卡洛法计算辐射传输耗时问题,提出了一种改进蒙特卡洛方法,通 过比例迭代累加法来求解反射及散射能量,从而大幅减少了计算时间. 引入直接评价方法,以 包含参与性介质的密闭系统(方形和圆形为例)为例,分析了网格密度、发射能束数及物性参 数对改进蒙特卡洛法计算精度的影响. 当光学厚度为0.005时,采用改进蒙特卡洛方法求得方 腔及圆形腔的表面微元辐射通量的相对均方根误差值分别为0.002 5及0.002 3,而采用传统蒙 特卡洛方法时对应误差分别为0.008 0及0.003 7. 可见,相同计算条件下,改进蒙特卡洛方法对 辐射换热问题具有更高的精度 . 进一步研究了追踪能束数对计算误差的影响规律,给出了计 算误差与追踪能束数拟合关系式,为计算该类问题的能束数选取提供了支撑.

    • 基于双自适应无迹卡尔曼滤波的半挂车状态估计

      2022, 49(2):63-73.

      摘要 (672) HTML (0) PDF 3.23 M (428) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对半挂车辆状态估计过程中测量噪声不确定、累计误差影响严重、初值敏感等 问题,提出一种适用于半挂车铰接角、车速等多个状态量估计的双自适应无迹卡尔曼滤波算 法(FFUKF). 基于搭建的半挂汽车 12自由度非线性动力学模型和轮胎模型,通过测量的轮速 与车辆加速度等信息,首先利用模糊控制自适应调整滑移率容差,综合判断每个车轮的稳定 状态,通过轮速估算出一种车速;与此同时,模糊控制自适应调整测量噪声,利用无迹卡尔曼 算法,依据动力学估计出铰接角和另一种车速;然后通过卡尔曼滤波算法融合两种方法估计 的结果,实现车辆的纵向、侧向速度、横摆角速度和挂车与牵引车铰接角的实时估计 . 最后在 Simulink/TruckSim 联合仿真环境下进行多工况仿真试验,验证所提出的双自适应无迹卡尔曼 估计算法(FFUKF)有较强的适应性、稳定性和鲁棒性,相比普通模糊自适应无迹卡尔曼 (FUKF)有更高的估计精度,能有效克服累计误差,即便在估计初始值不准和有ABS控制输入 的情况,仍可以较精确地对车速和铰接角进行实时估计.

    • 基于CNN-GRU的冷水机组传感器偏差故障诊断方法

      2022, 49(2):74-82.

      摘要 (653) HTML (0) PDF 2.38 M (355) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对冷水机组传感器偏差故障识别率低的问题,提出一种基于卷积神经网络 (Convolutional Neural Network,CNN)和门控递归单元(Gated Recurrent Unit,GRU)融合网络模 型(CNN-GRU)的冷水机组传感器偏差故障诊断方法. 该方法利用GRU记忆冷水机组因每个 传感器动态响应特性不同造成的其每个传感器不同的时间相关性,克服了CNN在冷水机组传 感器偏差故障诊断中仅能提取时间序列实时特征的缺点. 首先采用CNN自动提取传感器时间 序列的实时特征,然后利用具有长短期记忆能力的GRU实现对冷水机组传感器不同时间相关 性的记忆,从而充分利用时间序列中的特征信息对数据进行表征建模,进而有效提升了冷水 机组传感器偏差故障识别率. 将该方法与CNN、主成分分析和自动编码器方法进行比较,实验 结果表明:温度类和压力类传感器的偏差故障识别率分别在 85%以上和 90%以上;验证样本 得到了83%以上的偏差故障识别率,验证了该方法的泛化能力良好;该方法对于同一传感器、 故障大小互为相反数的偏差故障的故障识别率均具有良好的对称性;该方法的偏差故障识别 率高于其他方法,尤其对于很小的偏差故障的识别率具有更明显的优势.

    • 基于阶梯形标定物的线激光传感器手眼标定算法

      2022, 49(2):83-92.

      摘要 (857) HTML (0) PDF 7.97 M (458) 评论 (0) 收藏

      摘要:本文设计了一种阶梯形标定物,这种标定物的标定点坐标更容易获取,只需线激 光对准一次标定物上的标记点,与球形标定法相比操作更加简单;同时,在阶梯型标定物的基 础上,提出了一种线激光传感器手眼标定算法,该算法利用RASANC(随机抽样一致)算法对标 定点进行拟合,并利用最小二乘法求解手眼标定矩阵,这种标定算法无需对标定点的坐标进 行修正 . 实验结果表明,阶梯形标定法的精度和稳定性均优于球形标定法,且该方法操作简 单,可以满足自动化加工领域的大部分应用.

    • 基于GASpy的材料模拟计算框架

      2022, 49(2):93-100.

      摘要 (947) HTML (0) PDF 3.45 M (500) 评论 (0) 收藏

      摘要:随着信息学和数据科学工具的发展,各种计算机科学软件在材料模拟计算领域的 应用不断增加 . 为了加速催化剂的筛选,开展了基于信息工具如何改善和增强材料筛选的研 究,介绍一种基于第一性原理的高通量材料集成计算框架GASpy(Generalized Adsorption Simu? lator for Python). 该框架支持计算任务的自动化流程管理,可以借助 Fireworks 调用 DFT(Den? sity Functional Theory)计算,并可以将运算结果以及中间步骤保存至MongoDB数据库. 平台支 持与不同高性能计算集群的动态绑定,支持大批量计算作业的生成、提交. 平台同时支持数据 的提取、自动存储. 利用GASpy在天河一号上对材料网站上获取的晶体结构进行了实验测试, 进行晶体结构优化并计算吸附能,结果表明结合各种信息学工具可以更加灵活高效地实现大 规模自动化的DFT材料模拟计算,在模拟电催化领域有较好的应用前景.

    • 一种改进的模逆算法与硬件实现

      2022, 49(2):101-105.

      摘要 (341) HTML (0) PDF 983.48 K (344) 评论 (0) 收藏

      摘要:在公钥密码体系中,无论是RSA密码还是椭圆曲线密码,模逆运算都是非常关键 的运算. 模逆运算的前提是两数的最大公约数为1,否则结果是没有意义的. 基于现有的二进 制模逆算法的基础上提出了一种可以同时求最大公约数和进行模逆运算的算法,并且对算法 进行优化,用VERILOG HDL语言进行硬件实现. 通过功能仿真和FPGA验证,结果表明该设计 可以正确进行32~1 024 bit的大数模逆运算. 该设计应用于一款汽车安全芯片的PKI模块,采 用 UMC 55 nm工艺进行流片,芯片面积为 10 mm2,工作电压 3.3 V,钟频率为 200 MHz时,功耗 约为30.2 mW.

    • 一种优化的MD5算法与硬件实现

      2022, 49(2):106-110.

      摘要 (593) HTML (0) PDF 2.01 M (346) 评论 (0) 收藏

      摘要:MD5算法是应用非常广泛的一种Hash算法,在数字签名和验签中占有重要地位, 算法的效率会直接影响到签名和验签的速度. 本文提出一种优化的MD5算法,采用三级加法 器替代四级加法器、优化循环移位操作的方式缩短 MD5 算法单步运算的关键路径,并用 VERILOG HDL语言进行硬件实现. 通过仿真和FPGA验证,结果表明该设计功能正确,硬件资 源消耗少,数据吞吐量大 . 该设计应用于一款密码安全芯片,采用 0.18 μm 工艺进行 MPW 流 片,芯片面积为6 mm2. 时钟频率为150 MHz,电压3.3V时,功耗约为10.7 mW.

    • 低时延CORDIC算法计算平方根电路设计研究

      2022, 49(2):111-116.

      摘要 (537) HTML (0) PDF 1.12 M (304) 评论 (0) 收藏

      摘要:开平方运算广泛应用于数值分析、调制解调、图像处理等领域,而应用坐标旋转数 字计算(Coordinate Rotation Digital Computer,CORDIC)进行平方根运算是一种新应用.基本 CORDIC算法精度必须用迭代次数作保证,而较多的迭代次数会导致时延过大等问题,通过运 用建立查找表、单向旋转、合并迭代和免除补偿因子等手段,提出一种能够免去大部分迭代运 算的改进CORDIC算法用于平方根计算.相较于基本算法计算平方根,该改进算法使用了一 半的时钟周期便能得到输出结果,大大减少了输出时延,而且可以达到较高的计算精度,更加 适合实时性要求高的应用场合.

    • 基于SAE-OCSVM的伪芯片检测研究

      2022, 49(2):117-124.

      摘要 (325) HTML (0) PDF 3.48 M (267) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对传统芯片检测方法存在检测效率低、要求高、适用性差等问题,提出了基于 电磁旁路信号和机器学习方法的伪芯片检测框架 . 首先,在持有正品芯片的基础上通过引入 神经网络和多种特征提取方法提取特征向量,并将正样本的指令信号作为模板库;然后,对待 测芯片近场电磁信号进行加窗分帧,并对每帧信号进行特征提取;最后,将特征向量输入改进 核函数的一类支持向量机进行扫描式匹配,从而达到芯片检测的目的. 实验结果表明,该方法 能够适用于以次充好重标记类型的伪芯片检测.

    • 220kV GIL复杂壳体结构振动传播特性分析

      2022, 49(2):125-134.

      摘要 (450) HTML (0) PDF 2.89 M (325) 评论 (0) 收藏

      摘要:长距离城市气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated transmission line,GIL)包含 大量的伸缩节及气隔单元等复杂壳体结构,会使沿GIL壳体传播的振动信号产生相应的时延, 进而影响基于时差法的振动故障定位在线监测系统的定位精度. 为明晰GIL复杂壳体结构对 振动信号传播过程产生的影响,为后续GIL击穿故障定位方法的改进提供依据,本文从理论上 分析了振动信号在流体、固体场中的传播方程以及两场间的耦合关系,提出了振动信号在GIL 内传播过程的声-结构耦合有限元数值模拟方法,研究了不同激励方式下振动信号在GIL壳体 中的传播特性,并在南通220 kV GIL现场开展GIL管壁振动传播特性试验,获得了振动信号经 过220 kV GIL伸缩节单元、气隔单元、弯管单元以及支架单元等结构的典型波速与时延情况, 同时建立与试验工况一致的有限元仿真模型,验证了文中所提出的GIL内振动信号传播过程 数值模拟方法的可行性与有效性 . 研究结果表明:对于振动故障定位在线监测系统所监测的 横波振动信号,220 kV GIL各复杂壳体结构会使其产生0.1~1.1 ms不等的时延.

    • 基于改进矩阵束的动态同步相量测量算法

      2022, 49(2):135-142.

      摘要 (628) HTML (0) PDF 2.43 M (449) 评论 (0) 收藏

      摘要:随着现代电网规模不断增大,分布式电源大规模接入,强谐波、高噪声和信号动态 多变等问题会降低同步相量测量算法的准确度 . 为准确测量现代电网同步相量参数,提出一 种结合二阶泰勒动态相量模型和改进矩阵束优势的同步相量测量算法,用于动态条件下电力 系统同步相量幅值和相角参数精确测量 . 本文先对算法进行数学推导,然后根据我国同步相 量装置检测规范中指定的实验案例对测量准确度进行详细评估 . 实验结果表明,算法在频率 偏差、幅度调制等情景下具有很高的测量精度,符合我国同步相量检测规范要求,具有一定工 程应用价值.

    • 混合电力线-自由空间光通信系统解码 转发协议下的性能分析

      2022, 49(2):143-1148.

      摘要 (355) HTML (0) PDF 1.79 M (354) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对电力线通信传播距离短问题,文章提出了基于解码转发中继的电力线-自由 空间光(PLC/FSO)混合通信系统,并对其性能进行了分析. 首先建立了混合系统的数学模型, 分别采用对数正态分布和 Gamma-Gamma 分布来表征 PLC 及 FSO 信道衰落,并考虑 FSO 链路 指向误差 . 其次,对混合系统性能进行了分析,推导出了中断概率、误码率和信道容量的闭合 表达式. 最后,利用计算机模拟仿真验证了推导结果的准确性. 研究结果表明:脉冲噪声、大气 湍流和指向误差会对通信系统产生一定的影响.

    • 基于VMD-LSTM的触电电流提取方法研究

      2022, 49(2):149-159.

      摘要 (370) HTML (0) PDF 5.51 M (317) 评论 (0) 收藏

      摘要:为有效提取触电故障特征,实现从剩余电流中分离出触电电流,提出了一种基于 变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)与长短期记忆神经网络(Long Short Term Memory,LSTM)相结合的触电电流提取方法 . 利用果蝇优化算法对 VMD参数[K,α]寻优获得 最优参数组合[6,280],以VMD分解的剩余电流最佳模态分量突变特性为依据,定义相邻周期 电流幅值和的增长率 η1、η2作为判别触电事故的特征量;以 6层模态分量信号重构触电信号, 构建基于LSTM网络的触电电流检测模型. 240组触电信号研究结果表明:当η1、η2至少一个满 足大于 1% 时,均发生触电,否则无触电事故发生;相比于 VMD-BP、VMD-RBF 检测模型, VMD-LSTM 检测模型提取的触电电流与真实触电电流的相关系数平均值分别提高了 6.2%、 2.3%,均方根误差平均值分别降低了36.8%、27.1%,提出的方法具有更高的检测精度. 研究结 果为研发基于生物体触电电流动作的剩余电流保护装置提供了参考.

    • 零中频接收机的直流偏移消除和自动增益校准

      2022, 49(2):160-168.

      摘要 (1222) HTML (0) PDF 3.86 M (502) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了精确消除零中频接收机中的直流偏移并快速响应射频接收机增益调整时引 入的输入直流偏移变化,提出了一种混合型直流偏移消除电路 . 该电路结合了模拟型和数字 型直流偏移消除技术的优势,在降低输出直流偏移的同时缩短了响应时间 . 模拟型直流偏移 消除电路用于实时地自动消除各级输入的直流偏移,数字型直流偏移消除电路通过自动校准 进一步减小接收机的最终输出直流偏移 . 同时提出了一种接收机增益自动校准电路,能够自 动校准零中频接收机I/Q通路的增益失配. 采用65 nm CMOS工艺实现了集成直流偏移消除的 可编程增益放大器和增益自动校准电路 . 芯片测试结果表明,放大器最大输出直流偏移为 2 mV,增益调整具有严格单调性,自动校准后的输出I/Q增益失配小于0.1 dB. 该电路具有响应 快、仅需开机自动校准和无需数字基带电路参与等优点,完全满足IEEE 802.11ax-2021等宽带 通信接收机的系统要求.

    • 一种三相整流器的自然切换电流峰值控制策略

      2022, 49(2):169-175.

      摘要 (418) HTML (0) PDF 1.18 M (435) 评论 (0) 收藏

      摘要:给出了T型三电平整流器的直流侧电压与交流侧电流的自然开关轨迹. 基于该轨 迹,将直接功率控制理论与自然开关轨迹理论结合,给出了自然切换控制方法. 在该控制方法 下,负载扰动时,输出电流超调严重,系统动态过程不平滑. 针对该现象,依据直流变换器中电 流峰值控制的思想,提出了适用于自然切换控制方法的电流峰值控制策略,即在原有自然开 关轨迹上增加第三运行轨迹,对输出电流直接限幅控制,使得系统动态过程更为平滑 . 并在 Matlab 2019a仿真环境中进行了验证.

    • 新型电力系统下综合电动汽车充电站的优化运行

      2022, 49(2):176-182.

      摘要 (553) HTML (0) PDF 1.77 M (364) 评论 (0) 收藏

      摘要:构建以新能源为主体、用电负荷多元化发展的新型电力系统是实现中国“双碳”目 标的重要途径 .源与荷双重不确定性的考验,对电力系统调控平衡能力及运行调度方式提出 了更高的要求. 本文提出一个集成了插电式电动汽车(Plug-in Electric Vehicles,PEV)、新能源 发电、固定储能,并与商业建筑物相结合的双向综合电动汽车充电站(Integrated Electric Ve? hicle Charging Station,IEVCS),建立了一个考虑其时间特性及协同互动的四阶段智能优化控 制算法 .目标在于最大程度地降低考虑了用户满意度及潜在不确定性的 IEVCS 运行成本,同 时通过调整PEV充放电、电池储能充放电、电网供给电量、可调整负荷等的优化调度来保障实 时供需平衡 .文中分析了该算法每个阶段的作用,并验证了每个阶段在应对源荷不确定性状 况时为电力供给提供更多弹性及冗余度的必要性.

湖南大学学报(自然科学版)编辑部

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