针对气体静压轴承在结构不合理或者工作参数选择不恰当时容易产生气锤失稳的问题, 开展基于相位致振的气体静压轴承气锤失稳机理研究。从气体静压轴承的工作气压与气膜间隙随时间变化的相位关系出发, 建立基于相位致振的气体静压止推轴承自激失稳理论模型, 分析气体静压止推轴承在发生气锤失稳过程中, 工作气压与气膜厚度的相位变化对应情况。理论分析和实验研究结果表明, 在气体静压止推轴承发生气锤失稳过程中, 工作气压与气膜厚度的相位不断变化, 并在相位差为180°时发生气锤失稳, 进而说明可以从相位角度解释气体静压轴承发生气锤失稳的原因。该研究进一步完善了气体静压止推轴承的自激失稳作用机理分析, 为气体静压轴承的气锤失稳的机理分析及其抑制提供了一种新的方法。

为了实现轴承故障智能诊断, 对基于信息融合的机器人薄壁轴承故障智能诊断方法进行研究。首先, 采用声发射和振动传感器, 搭建了机器人薄壁轴承试验与多信息数据采集系统; 然后, 以薄壁单列角接触球轴承ZR71820为对象, 在轴承外圈、内圈和滚动体上分别制作点蚀、裂纹缺陷, 用正交试验法采集不同缺陷类型、不同当量载荷及不同转速状态下薄壁轴承在试验过程中的声发射和振动信号; 最后, 选取时域中均方根值和峭度指数及频域中均方根频率作为振动、声发射信号的特征参数, 分别进行了基于单一振动、声发射信号的薄壁轴承故障诊断, 并采用SOM与BP神经网络将试验过程中的振动和声发射信号的特征信息进行融合, 研究了基于信息融合的机器人薄壁轴承故障智能诊断技术。结果表明: 基于振动信号故障诊断的正确率为85.7%; 基于声发射信号故障诊断的正确率为81.0%; 基于BP神经网络信息融合故障诊断的正确率为93.5%; 基于SOM神经网络信息融合故障诊断的正确率为95.2%。基于SOM神经网络信息融合的薄壁轴承故障智能诊断比单用振动或声发射信号的诊断正确率分别高出9.5%和14.2%, 比用BP神经网络信息融合故障诊断的正确率高1.7%。

高速磁悬浮涡轮分子泵因其高能量密度、微振动、无需润滑等优点被广泛应用于工业领域, 但外部电源失效时, 高速转子跌落后与保护轴承产生剧烈撞击和摩擦, 将给系统带来致命损害。针对以上问题, 提出一种基于平均功率平衡法的电力失效补偿控制方法。首先, 设计电机能量回馈电路; 其次, 对Buck-Boost变换器进行数学建模, 设计一种双环非线性控制器, 其中电流内环使用滑模控制, 电压外环使用平均功率平衡控制, 并利用Lyapunov函数推导出系统的稳定性条件; 最后, 通过搭建磁悬浮分子泵PFCC实验平台, 对所提出的方法进行实验验证。结果表明: 本文所提出的方法具有快速响应和输出鲁棒性, 磁悬浮转子由额定转速21 000 r/min降至3 900 r/min时跌落, 电机的能量转化效率为96.6%, 提高了磁轴承系统的安全性。

针对粒子滤波计算量大、硬件实现困难的问题, 提出了一种用于纯方位跟踪的简化粒子滤波算法, 并通过Xilinx System Generator在FPGA上实现。首先, 对通用粒子滤波算法进行适当简化, 使其减少计算量并且易于硬件实现；其次, 采用模块化设计, 利用状态机综合并实现各个模块的时序控制；最后, 转换为硬件语言, 完成硬件仿真。仿真结果表明, 所设计的简化粒子滤波算法各个模块工作正常, 且具有较好的跟踪精度及运行速度, 可用于非线性、非高斯系统的粒子滤波实现, 对于粒子滤波的硬件实现方面具有一定的参考价值。

为了解决巨型望远镜潜在的结构变形对方位轴系支撑和精密驱动的影响, 基于组合轴承和驱动车载的概念, 提出了一种集成具有轴承及驱动两个功能的机械装置。此套机械装置采用了静液压油垫和直接驱动技术。直接驱动和液压油垫组合安装在承载机构上, 可以减小电机间隙变化以便提高驱动系统的效率, 此机械装置包含一套运动副连接, 该连接允许底部静液压油垫与滑动导轨紧密贴合而上部连接到方位轴移动结构上(就方位轴而言), 由此机械装置在运行时只会受到底部滑动轨道平整度的影响而不受上部移动结构大尺度变形的影响。之后通过ANSYS对机械装置进行了静力学仿真, 以验证模型的准确性。分析结果证明: 系统在设置运动副连接和未设置运动副连接两种情况下, 施加Z轴方向力矩时, 关注点的位移由14.3 μm减小为0.85 μm; 施加X轴方向力矩时, 关注点的位移由12.9 μm减小为1.26 μm, 运动副连接层可以显著吸收望远镜方位轴移动结构变形引起的力矩, 从而不会将该作用力矩强加给静液压油垫和驱动系统。该项设计为巨型望远镜高精度轴系和精密驱动的研制提供了可靠的设计依据和技术支持。

根据理论分析及实际加工水平，设计了一套摇摆器磁场测量系统，同时对影响磁测系统整体性能的主要参数进行了详尽分析。摇摆器磁测装置主要由气浮运动平台、测磁设备及控制系统组成，其主要功能是对霍尔探头的位置与磁场数据进行高精度测量及同步采集。主要参数如下: z向定位精度小于5 μm，重复定位精度小于2 μm; 霍尔探头的测量精度为0.05%，重复测量精度为0.01%，响应频率为1 kHz; 数据采集卡的采样率不小于1000。

为解决高速精密滚动轴承圆柱滚子微小动不平衡量检测中，传统压电传感器测量振动时因寄生质量与附加刚度导致的测试精度较低、测试灵敏度低等问题，介绍了自主设计的基于激光测距传感器的非接触式超微圆柱滚子动平衡测试系统，阐述了基于三角法的激光测距传感器工作原理，采用激光脉冲计数法高精度测量转子转速，并对超微滚子动不平衡量进行了检测分析。通过试验验证了所设计系统在测量微米量级微小振幅时的有效性，确保了对于微小动不平衡量提取的可靠性与准确性。

针对光电目标跟踪问题中纯角度跟踪的特点，提出了纯角度目标的机动自适应跟踪算法。该算法采用机动目标“当前”统计模型描述目标的运动特性，根据强跟踪滤波器的思想通过实时检测滤波器的残差信息确定目标的机动变化情况，进而调整“当前”统计模型中表征目标机动特性的参数 (机动频率和随机加速度分布的极值 )，使得运动模型更加符合目标的机动实际，具有对目标机动自适应调整的能力。仿真试验表明，该算法在目标机动性较强时具有较强的跟踪能力，在目标机动性较弱时具有较高的跟踪精度，实现了对跟踪精度和跟踪能力的有效兼顾。

对一般的仅方位目标跟踪系统的可观测性进行了分析。这里“一般”的含义是指目标的运动假设突破了以往匀速直线运动的限制，扩展为更为一般的各种复杂运动。得出了这种条件下系统可观测的必要条件。在目标作匀速直线运动的假设下，仅方位目标跟踪的一个熟知结论是：系统可观测的必要条件是观测者必须机动。将这一结论推广到任意的目标运动条件，指出：在二维仅方位目标跟踪系统中，系统可观测的必要条件是观测者作比目标更为复杂的运动，并且独立方位数等于待定参数数。这一结论不仅有助于仅方位目标跟踪系统本质的认识，对于诸如跟踪算法开发和观察者机动策略优化等工程实践也有着十分重要的意义。