主动配流式电磁直驱静液作动器多学科设计与协调控制

To meet the growing demand of actuator technology with high efficiency, high power to weight ratio, high response and high precision in vehicles and robots, an active flow distribution electromagnetic direct-driven hydrostatic actuator using bi-directional electromagnet and moving-coil linear motor is proposed. This project aims at establishing an efficient multidisciplinary design method and a precision motion control method. Firstly, the coupling of electric, magnetic, mechanical, liquid and thermal is studied, the law of energy flow conversion and dissipation is analyzed quantitatively. Integrating domain knowledge and game theory to optimize the actuator and then a multidisciplinary design method based on game theory is extracted. Secondly, the hydraulic power transfer rule of hydraulic pump is studied, the influences of electromagnetic direct-driven piston movement and active check valve movement on flow rate are researched. The flow pulsation mechanism is revealed. An efficient active flow distribution method with multi-degree of freedom is carried out. Moreover, the control-oriented dynamics mathematical model of actuator is established. A hierarchical coordination strategy is explored combining the active flow distribution method. A sliding mode-active disturbance rejection method of the actuator for precision motion control is proposed. The key scientific problems of the novel electromagnetic direct-driven hydrostatic actuator are expounded including the coupling mechanism in mechanical, electric, magnetic, liquid and thermal, and the mechanism of motion coordination control with multiple pistons and spools. This research combines the advantages of electromagnetic direct drive technology and pump-controlled direct drive technology, which enriches the basic theory of design and control for hydromechatronics systems.

为了满足车辆、机器人等领域对高效节能、高功重比、高响应、高精度作动技术的迫切需求，本项目提出一种基于动圈式直线电机和双作用电磁铁的主动配流式电磁直驱静液作动器。针对电磁直驱静液作动器的高效多学科设计与高精度运动控制等问题，研究作动器电-磁-机-液-热多学科的耦合协同效应，定量分析能量流的转换及耗散，融合领域知识与博弈理论，凝练一种多学科集成设计方法；分析作动器液压功率传递规律，明晰电磁直驱活塞运动以及主动单向阀芯运动对流量伺服的影响规律，揭示流量脉动产生机理，构建多自由度的主动配流方法；建立作动器面向控制的动力学模型，结合主动配流方法探索分层协调策略，制定基于滑模-自抗扰的运动协调控制方法；阐明新型电磁直驱静液作动器的电-磁-机-液-热多学科耦合作用机理与多柱塞、多阀芯运动协调控制机理。本课题融合电磁直驱与泵控直驱的技术优势，对丰富机电液一体化系统设计与控制的基础理论体系具有重要科学意义。

为了满足车辆、机器人等领域对高效节能、高功重比、高响应、高精度作动技术的迫切需求，本项目提出并研究了一种基于动圈式电磁直线执行器和双作用电磁铁的主动配流式电磁直驱静液作动器。针对电磁直驱静液作动器的高效多学科设计与高精度运动控制等问题，研究了作动器电-磁-机-液-热多学科的耦合协同效应，定量分析了能量流的转换及耗散，融合领域知识与博弈理论，凝练了一种多学科集成设计方法；分析了作动器液压功率传递规律，明晰了电磁直驱活塞运动以及主动单向阀芯运动对流量伺服的影响规律，揭示了流量脉动产生机理，构建了多自由度的主动配流方法；建立了作动器面向控制的动力学模型，结合主动配流方法探索分层协调策略，制定了基于滑模-自抗扰的运动协调控制方法；针对系统核心动力元件动圈式电磁直线执行器，提出了一种兼顾静/动态性能的多学科优化方法，提高其驱动能力；提出了一种深度模糊滑模-自抗扰控制方法，提高响应速度、控制精度以及复杂工况下的适应能力；阐明了新型电磁直驱静液作动器的电-磁-机-液-热多学科耦合作用机理与多柱塞、多阀芯运动协调控制机理。本课题融合电磁直驱与泵控直驱的技术优势，对丰富机电液一体化系统设计与控制的基础理论体系具有重要科学意义。.该项目发表论文32篇（均标注基金号），其中SCI检索论文17篇、中文卓越期刊论文2篇；申请发明专利21件，其中已授权发明专利6件。依托该项目，项目负责人入选山东省青年科技人才托举工程、山东理工大学“双百人才”工程，获得山东省机械工业科技进步一等奖、中国发明协会发明创新奖一等奖等科研奖励4项；组建的研究团队入选山东省高等学校“青创团队计划”；培养研究生15人，其中1人获得山东理工大学优秀硕士学位论文，3人获得山东理工大学研究生优秀成果奖。