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《机电工程技术》
2025年第18期精品合集
20251801
铝硅合金表面缺陷的研究现状和发展趋势∗
庞嘉尧1，田恩龙2
（1. 陕西理工大学 工程训练中心， 陕西汉中 723001；2. 陕西理工大学 机械工程学院， 陕西汉中 723001）
摘要：
铝硅合金因性能优异被大量应用于装备制造、航空航天等领域。然而铝硅合金因组织内部存在尺寸较为粗大的共晶硅相，降低了其与基体间的协调性，使得材料的非均质性和脆性增加，在切削加工中极易造成切削力波动、刀具磨损、刀具偏转等问题，致使在零件加工表面或亚表面形成凹槽、划痕、裂纹等表面缺陷，造成零件表面质量差等问题，因此深入认识铝硅合金表面缺陷的形成机理和控制方法具有重要意义。详细介绍了铝硅合金表面缺陷的形成机理，分析了表面缺陷对合金疲劳性能、耐蚀性能的影响和降低表面缺陷的控制方法，并对提高零件加工质量的方法进行了展望，为后续降低铝硅合金表面缺陷和改善零件加工质量的研究提供了思路。
关键词：
铝硅合金；表面缺陷；研究进展；控制方法
基金项目：
陕西理工大学校级科研项目
（SLGKYXM2212）
陕西理工大学“课程思政”教改项目
（KCSZ2307）
作者简介：
庞嘉尧（1988—），男，硕士，工程师，研究领域为先进制造技术、装备时效与可靠性分析等，已发表论文5篇。
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20251802
气动载荷作用下大型风力机叶片结构拓扑优化设计*
罗 松1，汪 泉2※
（1. 天合光能股份有限公司， 江苏常州 213031；2. 湖北工业大学 机械工程学院， 武汉 430068）
摘要：
针对复杂叶片气动外形结构概念设计问题，利用叶片三维集成表达方程，编制程序建立参数化风力机叶片有限元实体模型；提出了一种叶片截面拓扑网格技术，有效解决了实体叶片整体六面体网格划分问题。考虑气动载荷作用于叶片外形表面，基于修正的叶素动量理论，利用MATLAB与APDL语言编制程序实现数据传递，将压力分布加载到叶片有限元模型中，以最小质量为目标函数进行叶片拓扑优化设计。优化结果表明：较之传统的叶片结构，该拓扑结构上下翼面主梁位置更靠近叶片前缘，表现为非对称性，且叶片尾缘处出现了加强结构。对拓扑优化后的叶片进行重新设计与建模，并与原始叶片作对比分析，发现在气动载荷作用下，相比原始叶片，拓扑优化后叶片的最大应力为34.72 MPa，降低了6.72%；改进叶片的叶尖位移为2.485 m，减少了约5.04%，表明拓扑优化后叶片结构强度及叶尖位移均优于原叶片。该新型拓扑结构对后续尺寸优化具有一定的指导作用。
关键词：
风力机叶片；拓扑优化；网格技术；气动载荷；叶素动量理论
基金项目：
国家自然科学基金
（51975190）
作者简介：
罗 松（1987—），男，博士，研究领域为机械结构优化设计、可再生能源装备设计理论与方法，已发表论文8篇。
通信作者简介：
汪 泉（1984—），男，博士，教授，博士生导师，研究领域为机电系统多学科交叉优化设计、可再生能源装备设计理论与方法，已发表论文50篇。
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20251803
考虑启停次数和能量转换效率的氢能增程器优化运行策略*
李钦豪1，范苏纯2※，周 来1
（1. 广州职业技术大学 智慧汽车学院， 广州 511483；2. 广州铁路职业技术学院 电气工程学院， 广州 511300）
摘要：
针对氢燃料电池汽车中氢能增程器启停频繁、能量转化效率不高的问题，提出考虑启停次数和能量转换效率的氢能增程器优化运行策略。分析由氢燃料电池和动力电池组成的电源系统能量流，搭建氢能增程器优化运行总体框架；分析氢燃料电池的功率-效率特性，给出在优化模型中使用功率-效率特性的插值方法；基于导航系统接口获取的车流平均速度和行程预计用时，提出功率曲线和行程能量需求预测方法，并构建氢能增程器启动规则；建立氢能增程器优化运行模型，优化运行模型的目标由预期结束荷电状态偏差和能量转换效率两个子目标构成；通过算例分析，验证所提方法的有效性。结果表明，所提方法可以减少氢能增程器37.50%的启停次数，提升电源系统28.13%的能量转化效率。
关键词：
氢燃料电池；增程器；启停；转换效率；优化运行；规则
基金项目：
广东省普通高校青年创新人才类项目
（2023KQNCX211）
广东省普通高校青年创新人才类项目
（2024KQNCX233）
作者简介：
李钦豪（1989—），男，博士，工程师，研究领域为新能源汽车能量控制和需求响应。
通信作者简介：
范苏纯（1995—），女，硕士，助教，研究领域为需求响应技术。
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20251804
基于扩展卡尔曼滤波FOC矢量关节模组双环控制算法研究*
吴国安1，陈继文1※，姚向国1，李大勇2，王会彬3
（1. 山东建筑大学 机电工程学院， 济南 250101；2. 山东建筑大学 教务处， 济南 250101；3. 北京航科京工有限责任公司， 北京 102400）
摘要：
针对自研关节模组中GD32FFPRTGU6芯片现有控制算法解决关节系统惯量不匹配、效率低，快速跟踪性差、稳态精度差以及抗干扰的鲁棒性差的问题，提出了基于扩展卡尔曼滤波FOC矢量双环控制算法。该算法在传统FOC矢量控制中加入卡尔曼滤波算法，通过卡尔曼滤波器滤波作用，减少外界噪声干扰和自身干扰，使输出相电流更为稳定，能较大程度提高稳态精度及系统的抗干扰性，且能够保证在干扰环境下的鲁棒性及稳定性。先采用Simulink仿真验证的方法，证实了该理论算法的可行性，后将该算法应用到GD32FFPRTGU6芯片的关节模组控制模块，验证了该理论算法的有效性。该算法提高了关节系统的快速跟踪性，稳态精度以及抗干扰鲁棒性。
关键词：
卡尔曼滤波；矢量控制；双环控制算法；关节模组
基金项目：
山东省重点研发计划(重大科技创新工程)项目
（2019JZZY010455）
济南市科技局“高校20条”引进创新团队项目
（2019CXR037）
作者简介：
吴国安（1999—），男，山东德州人，硕士，研究领域为机器人与智能化装备。
通信作者简介：
陈继文（1978—），男，山东潍坊人，博士，教授，研究领域为机器人与智能化装备。
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20251805
一种基于Transformer的单目标跟踪算法*
罗 阳，刘俊平，马 煜，李艳豪，李 龙
（中国重型机械研究院股份公司， 西安 710018）
摘要：
针对单目标跟踪中跟踪目标由近到远的大小变化问题，提出一种基于Transformer的单目标跟踪算法。该算法的骨干网络采用MobileNet v2，通过去掉该网络的最后4层来减少模型的复杂度，提升模型的运行速度；在特征融合模块采用注意力机制，实现特征图融合与增强；在检测头模块使用3种样式的检测头来预测边界框，分别为直接回归预测框、关键点回归预测框、mask回归预测框，其中mask回归预测框可提升前两种检测头的预测精度；设计了一种预测头的分支选择模块，用于评估2种预测框的结果，可以在回归预测框前对两种预测头进行评估，使其在跟踪目标进行大小变化时能够输出较为理想的预测结果。训练采用的数据集为GOT-10 k数据集的一部分，能够在OTB数据集上测试时取得较好的跟踪结果，成功率和精确率分别达到了0.681和0.925。实验结果表明：在跟踪目标发生大小变化的情况下，所提算法仍能取得较好的跟踪效果。
关键词：
目标跟踪；预测头；分支选择；大小变化；特征融合
基金项目：
陕西省重点研发计划项目
（2022NY-094）
陕西省教育厅专项科研项目
（21JK0732）
作者简介：
罗 阳（1996—），男，陕西西安人，硕士，助理工程师，研究领域为通用重型机械检验检测，已发表论文2篇。
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20251806
激光雷达主镜筒及其固定结构的力学分析
汤 咏1，张 凯1，盛训超1，宋耀东1, 2
（1. 合肥中科环境监测技术国家工程实验室有限公司， 合肥 230088；2. 中国科学院 合肥物质研究院， 合肥 230031）
摘要：
由于激光雷主镜筒的结构稳定性直接影响雷达信号分析处理的结果，为此，基于激光雷达研究了受力情况下的总位移。以简化的雷达主镜筒及其固定结构为对象，考虑该对象实际工作情况下承受静载荷和随机振动工况，使用有限元分析方法，建立了力学分析方法。进行了静力学和动力学仿真：采用静力学方法分析结构极限位置下主镜筒受力位移量，据此改进设计方案；基于静力学分析的结果，从动力学角度进一步分析，完成结构模态和振型仿真；采集实际车载行进中的时域载荷谱，计算出频域下的功率谱密度，导入随机振动分析模块进行计算，分析3σ概率下主镜筒的受力总位移量。仿真分析结果表明，经静力学优化后的结构设计合理，主镜筒静载荷和随机振动位移量不超过0.01 mm，可在相似路况的随机振动工控下安全工作。
关键词：
激光雷达；静力学分析；结构模态分析；功率谱密度；随机振动
作者简介：
汤 咏（1986—），男，安徽合肥人，硕士，高级工程师，研究领域为精密光机电结构设计，已发表论文3篇。
张 凯（1990—），男，安徽合肥人，硕士，助理工程师，研究领域为精密光机电结构设计，已发表论文1篇。
盛训超（1988—），男，安徽合肥人，硕士，中级工程师，研究领域为环境光学监测技术产品研发，已发表论文5篇。
宋耀东（1988—），男，安徽合肥人，硕士，助理工程师，研究领域为精密光电测量技术，已发表论文1篇。
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20251807
火力发电中的热蒸汽温度控制回路性能评价指标*
龚 琨1，王子辰2，王富强1，田雁斌1，陆宏毅1，周玉斌1，马晓明1，谢 磊2※
（1. 山西中电神头第二发电有限责任公司， 山西朔州 036000；2. 浙江大学 控制科学与工程学院， 杭州 310007）
摘要：
目前Harris指标广泛应用于工业生产中，然而，Harris指标侧重于抑制扰动能力，在热蒸汽温度控制回路中，过强的扰动抑制能力可能导致控制器输出波动加剧，对减温水排放的执行机构造成较大负担。针对该问题，收集实验数据辨识热蒸汽温度控制回路中的过程通道和扰动通道的传递函数，建立脉冲响应矩阵模型。提出一种折中指标，将待评控制器与最优控制器的表现按比值衡量，该评价标准由闭环系统输出方差和控制器输出方差的加权和组成，以保证控制器抑制扰动能力同时减少执行机构负担。最优控制器通过脉冲响应矩阵模型建立非线性优化问题求解，目标函数为评价标准，限制条件根据PID控制器结构列出。以特定PID控制器为例，分别计算控制器折中指标和Harris指标以展示该标准的求解方法，并给出了指标中参数的设置方法。结果显示相比Harris指标，该指标能从抑制扰动能力和控制器输出波动两个角度对控制器评价，该指标下的最优控制器可以牺牲较少抑制扰动能力使控制器输出波动明显降低。
关键词：
超临界发电；PID控制器；性能评价；非线性优化
基金项目：
国家自然科学基金
（62073286）
作者简介：
龚 琨（1984—），男，山西朔州人，学士，高级工程师，研究领域为火电厂检修管理、热工自动化和控制，已发表论文5篇。
王子辰（2000—），男，山东滨州人，硕士研究生，研究领域为控制系统性能评估，已发表论文1篇。
通信作者简介：
谢 磊（1979—），男，安徽临泉人，博士，教授，研究领域为先进控制、控制系统性能评估，已发表论文135篇。
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20251508
基于移相全桥变换器的电动汽车充电电源研究*
张 林，卢 杨※
（吉利学院 电子信息工程学院， 成都 641423）
摘要：
为解决现有电动汽车充电电源存在的能量转换效率低、功率密度不足及电磁干扰大等问题，基于移相全桥变换器软开关技术，提出了利用副边无源钳位电路让滞后桥臂实现零电流开关（ZCS）的同时，利用先进桥臂并联电容实现零电流开关的高效充电电源拓扑，构建了带简单副边辅助电路的ZVZCS变换器模型，为验证该拓扑的性能，采用MATLAB/Simulink进行硬件电路仿真，并搭建实验平台开展测试。结果显示，该拓扑在满载条件下输出功率可达36 kW，功率因数为0.95，效率超过90%，输出电压范围0～600 V、电流范围0～60 A，可满足不同动力电池充电需求，与传统移相全桥变换器相比，该拓扑有效解决了原边环流损耗及硬开关导致的效率下降问题，避免了电流尖峰引起的器件应力增大和严重电磁干扰；与副边有源钳位电路相比，该结构更为简单，降低了电路的复杂程度与成本，由此验证了将此拓扑应用于电动汽车充电电源的可行性。
关键词：
充电电源；高频电源；ZVZCS；IGBT
基金项目：
四川省科技厅项目
（2025ZNSFSC1426）
作者简介：
张 林（1993—），男，重庆万州人，硕士，研究领域为电力系统分析。
通信作者简介：
卢 杨（2002—），男，四川南充人，学士，研究领域为充电电源仿真分析与性能验证。
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20251809
新能源汽车动力电池系统结构及其性能指标分析*
李 化1，黄莉雅2，吴良军1，肖心远1
（1. 广东交通职业技术学院， 广州 510650；2.广东省外语艺术职业学院， 广州 510640）
摘要：
动力电池系统是新能源汽车的重要组成部分，动力电池管理器根据动力电池运行过程中的电压、电流、温度等性能指标判断动力电池的运行状态，确保新能源汽车安全、高效运行。从动力电池的系统结构和性能指标两个方面入手，分析动力电池系统的组成结构，包括动力电池管理器、动力电池包、状态传感器、配电系统等关键部件，解析各部件在系统中的主要功能和角色，厘清它们之间的连接关系与控制逻辑。详细分析动力电池的性能指标，包括电压、电流、温度等参数的获取与计算方法及其对动力电池性能的影响，并重点分析几个关键性能指标的变化规律，最后作出总结并展望了动力电池未来的发展趋势。以往的研究大多聚焦于动力电池应用技术，较少结合国家标准分析动力电池，针对此情况，结合国家标准分析动力电池系统的构成，详解动力电池各项主要性能指标，并将性能指标的描述与其结构相联系，全面展现动力电池系统的结构和工作原理，为提升动力电池系统的控制能力提供了技术参考。
关键词：
动力电池；电池结构；电池检测；电池指标；电池性能
基金项目：
广东省教育厅高等职业教育教学质量与教学改革工程项目
（2023JG186）
广东省教育厅青年创新人才项目
（2022WQNCX134）
广东交通职业技术学院校级大学生科技创新项目
（GDCP-ZX-2021-007-N2）
作者简介：
李 化（1990—）， 男，湖北鄂州人，硕士，讲师，研究领域为新能源汽车技术与汽车电子技术，已发表论文4篇。
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20251810
RT-Visor：面向智能穿戴设备的混合关键系统研究*
夏创林，李 阳※
（五邑大学 电子与信息工程学院， 广东江门 529000）
摘要：
为降低智能穿戴设备上使用的低功耗芯片与性能芯片组合方案的研发与生产成本，降低单芯片方案冷重启切换操作系统的时长，设计并实现了基于嵌入式虚拟化技术的混合关键性系统：RT-Visor，支持以软件的形式实现RTOS与Linux系统混合部署。该混合关键系统以国产实时操作系统RT-Thread为系统底座，虚拟机运行Linux系统，实现在一个芯片内同时运行RTOS与Linux系统，可以快速挂起虚拟机，实现操作系统的快速切换。实验表明，RT-Visor在挂起虚拟机时可以有效降低能耗，在系统切换速度上相较冷重启切换的方式有显著提升，且无需多个芯片分别运行RTOS与Linux系统，研发与生产成本更低。对比混合关键系统上运行的Linux虚拟机与直接运行的Linux，所引入的性能开销小于3%。为多系统混合部署提供了一种低成本、低功耗的技术框架。
关键词：
智能穿戴设备；虚拟化技术；混合关键系统；Hypervisor；嵌入式操作系统
基金项目：
广东省重点领域研发计划项目
（2019B010132004）
作者简介：
夏创林 （2000—），男，硕士研究生，研究领域为嵌入式虚拟化技术、操作系统。
通信作者简介：
李 阳（1969—），男，博士，教授，硕士生导师，研究领域为微电子学与固体电子学、集成电路、光电子半导体材料。
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20251811
基于多新息广义扩展最小二乘法的水下机器人参数辨识方法研究*
张 弛，袁剑平※
（广东海洋大学 船舶与海运学院，广东湛江 524088）
摘要：
多新息最小二乘法（Multi-innovation Least Square Algorithm,MILS）是一种重要的参数辨识方法，水下机器人的航行数据往往存在复杂噪声的干扰，MILS算法在应对复杂噪声数据的参数辨识中存在明显不足。针对MILS存在的不足，提出了一种基于多新息广义扩展最小二乘算法（Multi-innovation Generalized Extended Least Square Algorithm,MIGELS）的水下机器人参数辨识方法。开展水下机器人运动学和动力学分析，建立水下机器人的运动方程。介绍MILS算法，在MILS算法基础上开展详细的MIGELS算法的数学推导过程，并给出完整的MIGELS算法的描述公式。搭建水下机器人在线参数辨识仿真平台，在线采集具有复杂噪声的观测数据，分别基于MILS算法和MIGELS算法开展参数辨识仿真实验。仿真结果表明，基于MIGELS算法的参数辨识方法能够有效地在线辨识出水下机器人的水动力系数，相较于MILS算法，MIGELS算法明显具有更好的辨识精度和收敛速度，表明在应对复杂噪声的参数辨识问题时MIGELS算法更具优势，这对于促进水下机器人的参数辨识研究具有重要的意义。
关键词：
水下机器人；参数辨识；多新息最小二乘法(MILS)；多新息广义扩展最小二乘法(MIGELS)
基金项目：
国家国防科技工业局稳定支持课题
（JCKYS2021SXJOR-02）
作者简介：
张 弛（1997—），男，硕士研究生，研究领域为水下机器人参数辨识技术。
通信作者简介：
袁剑平（1979—），男，硕士，教授，硕士生导师，研究领域为海洋无人装备智能控制技术。
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版式设计：林俊立、张潇云
责任编辑：王智圣
审核：麦丽菊
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