梯度材料冷冻成型的自适应控制硕士毕业论文

开题报告内容（包括：1.研究背景与意义；2. 国内外研究进展；3.主要研究内容；4.研究方案和技术路线；5.课题的主要难点及拟采取解决方案；6. 预期研究成果；7.主要参考文献（在正文中必须标注)）1  研究背景与意义20世纪80年代，航空航天工业正处在高速发展时期，材料隔热性能也随之受到各国研究人员的关注，即便是陶瓷或金属等复合制备的耐高温材料，由于两者的热膨胀系数存在差异，在高温环境下使用时也会产生巨大的热应力，容易导致在材料表层出现裂纹，从而使材料失效。基于这种情况，日本一些科学家于1987年首先提出了功能梯度材料这一概念，解决了在设计制造新一代航天飞机热保护系统中所出现的一系列问题，研制开发出表面使用温度达2000K、表里温度相差约1000K的新型耐高温材料。显然，传统的复合材料和表面涂层材料均不能满足上述要求，梯度材料正是为适应这种需要而提出的一种全新的非均质复合材料。所谓功能梯度材料(Functionally Gradient Material，简称FGM)，是基于新的材料设计理念而研发制备出的一种新型功能材料。它是指材料的化学构成、微观结构和原子排列由一侧向另一侧呈连续梯度变化，从而使材料的性质和功能也连续地呈梯度变化。例如，目前被大多学者广泛研究的金属——陶瓷系FGM就是这种新型材料中的一类，它的一侧是金属材料，有很高的韧性以及良好导热导电性能，而且容易进行加工；另一侧是具有良好的耐高温性能的陶瓷材料，利用先进的技术使最终复合而成的材料在组成、结构等性能方面从一侧到另一侧连续变化，可同时具有金属材料和陶瓷材料的双重特点。这种非均质的复合材料能使材料内部产生热应力缓和，减小或克服材料的热应力破坏。由于金属——陶瓷系FGM具有很多优异特性及其可设计性，使其成为功能梯度材料的研究热点。起初功能梯度材料的应用目标主要是航天飞机的防热系统和发动机，今后设计和制备功能梯度材料也将成为当今材料学科以及与材料相关学科研究的重要组成部分，更是高科技功能材料、航天、航空、核工业、生物工程等研究领域的迫切需要。目前，功能梯度材料的制备方法很多，有些还处于研究探索阶段。常用的制备方法主要有以下几种：①粉末冶金法：粉末冶金法是将原料颗粒或粉末按照设计好的组分进行混合后再按梯度逐层排列，经压实后烧结而成，通过控制原料的粒度大小和烧结工艺，可以得到成分或晶粒度呈梯度变化的材料。②等离子喷涂法：等离子喷涂法是以气体作为载体，将要喷涂的材料（粉末）吹入等离子体射流中，以等离子弧为热源将粉末熔化，熔融态的粒子被气体进一步加速之后以极高的速度与基体表面发生撞击，产生强烈的塑性变形，形成扁平的层状结构涂层。③自蔓延高温合成法：自蔓延高温合成法是利用材料本身化学反应热使材料烧结的新技术，其原理是将构成产物的元素粉末按梯度组成填充，成型后放入反应容器，在一定的条件下使原材料发生化学反应，反应放出大量的热诱发邻近层的化学反应，从而使反应自动持续地蔓延下去，合成所需的新材料。④激光熔覆法：是将设计好的粉末混合后，通过喷嘴喷至基体表面，然后通过改变激光功率、光斑尺寸和扫描速度加热粉体,粉末温度迅速升高并在基体表面形成熔池，最终形成基体合金化的薄膜涂层。在此基础上通过改变粉末的组成配比，重复上面的过程可以得到任意多层的梯度膜。⑤离心铸造法：离心铸造法是利用在铸造过程中纵向旋转模具，在产生的离心力的作用下，利用不同材料的密度差异实现对粉末或料浆不同密度组分之间的分离，使凝固后的成分组织呈现变化来制备FGM。⑥气相沉积法和电沉积法：气相沉淀法是利用具有活性的气态物质在基体表面上成膜的技术，根据沉积过程中沉积粒子的来源不同可分为物理气相沉淀法和化学沉积法。电沉积法是根据电解质溶液的特性和物质发生电化学反应的难易程度不同，利用电解作用或电化学反应使溶液中的不同离子同时还原，并沉积在基体表面形成涂层。自20世纪80年代中期以来，许多添加制造工艺已被开发。较理想的成型方法要求具有可重复性、较高的可靠性，能制备大尺寸和复杂形状的零部件。近几年几种添加制造工艺已发展到制造梯度材料元件。而梯度材料胶态成型具有成本低、操作简单、适合制备复杂形状零件，免去了复杂的机加工步骤等优点。因此，一出现就受到国内外广泛重视，是制造复杂零件的较理想的成型方法。本课题采用的是冷冻挤压成型技术。基于固体无模成型思想的冷冻挤压成型技术是将不同的胶态状材料按计算好的比例混合，并含有很少的有机粘结剂，采用分层堆积，然后烧结成型。因此，冷冻形式挤出加工（FEF）是一种新型的、对环境友善的添加制造工艺。 2. 国内外研究现状2.1 国外研究现状日本是对梯度功能材料开发研究最多的国家之一，其科研单位、公司已经取得了一系列的研究成果。日本北海道大学开发了基于电弧表面加热熔化的金属表面涂覆金属间化合物技术，并已通过在铌板上涂覆NbA13的实验证实了其可行性。Eiichi Miyazaki等研究了Fe—Mn—Si—Cr形状记忆合金纤维增强的智能梯度功能材料制备方法，并用显微硬度实验和三点弯曲实验测试其机械性能，实验观察到大量的各向异性机械性能，这依赖于SMA纤维的含量。Kobayashi H使用泥浆涂层法和无压烧结法制备了 Al2O3—PSZ～Fe—Ni梯度功能材料管。一些具有三层或更多层的梯度功能材料管上没有发现裂纹和翘曲，结合界面也可完全连结，而且比单一的陶瓷管具有更好的抗热震性。Takagi Kenta等开发了具有梯度功能显微结构的弯曲型压电陶瓷激励器，利用叠层烧结的方法制成了具有三层不同孔隙率的激励器样品，并使用电应变仪测量了样品的电场感应变位值，结果表明实验测试值和计算数据是一致的。美国发射的太阳系行星探测器上的电源就是由SiGe梯度热电功能材料制成的热电发电机。一些科研人员开发的MoSiO2梯度材料既能与灯壳体达到匹配封接，又具有钨极一样的导电性，且灯壳与电极间有良好的绝缘性。瑞士一些科研人员通过粉末冶金法成功地制得了ZrO2／NiCr功能梯度材料，该材料从宏观上消除了传统的金属和陶瓷界面，并在化学组成和成分微观分布上表现出良好的梯度分布。比利时的一些科研人员利用电泳沉积法及最终的冷等静压和液相烧结制备了Co和Ti(C，N)成梯度分布的WC—Co—Ti(C，N)梯度功能材料。葡萄牙的一些科研人员利用离心铸造法制备了A1—SiCp功能梯度材料，并用x射线衍射法、光学显微图片及径向硬度曲线定量分析研究了材料的结构和性能。2.2 国内研究现状    我国有关梯度功能材料的研究开发虽起步较晚，研究手段和方法还不是很完善，但已取得较大进展。国内一些科研人员利用微波烧结的方法开发了轴对称WC／Co重金属梯度功能材料，通过SEM观察了材料的微结构及硬度，结果表明较小的WC颗粒和微波过程的快速烧结提高了WC／Co重金属梯度功能材料的冶金及机械性能。还有一些学者用电火花等离子体烧结法在1300℃制得了TiC／Ti3SiC2梯度功能材料，微观结构显示 Ti3SiC2颗粒在烧结过程中有效限制了TiC颗粒的生长，因此提高了材料的强度。国内一所羰基金属实验室对金属有机气相沉积技术制备金属——陶瓷系功能梯度材料进行了成功的探索。利用该法易于调节金属有机化合物气流量和压力来连续控制改变金属——陶瓷的组成比和结构，所制备的材料致密性能较好，但其主要缺点是制备大厚度的块材有一定难度，且设备要求高。另一些学者还利用有限元分析方法，对PSZ／Mo功能梯度材料进行了优化设计，确定了最佳形状因子、层数和每一层的厚度。在此基础上，用热压烧结方法制备了六层结构的PSZ／Mo功能梯度材料，并利用自制的FGM热性能测试仪，对试样进行了热震性能测试实验，结果表明，优化后的PSZ／Mo——FGM具有良好的抗热震性能。某大学的研究人员利用自蔓延高温合成技术在普碳钢材表面合成了厚度为10mm的 Al2O3／Fe表面梯度复合层，并测试出复合材料的成分呈梯度变化，金属陶瓷连接陶瓷层与基体钢表面，陶瓷与普碳钢具有良好的连接强度，不宜剥离。从发展趋势来看，今后应大力完备现有的FGM制备方法，并进一步探索新的制备工艺，使FGM的制备更加简单易行，使其向工业化方向发展；探索FGM性能评价新方法；计算机辅助设计和解析系统开发；纳米FGM材料的研制；开发出大尺寸和复杂性状的FGM制备技术。另外，还应在降低制作成本，提高材料的可靠性等方面努力。随着人们对功能梯度材料研究的不断深入，FGM将会推动材料科学与技术乃至整个国民经济的发展。3.主要研究内容冷冻挤压成型工艺是一种新型的无模成型方法。利用计算机控制可以实现对梯度材料的无模成型。基于国内外的一些无模成形工艺，本课题将采用该种成型方法。主要研究内容如下：（1）对梯度材料的挤压过程进行建模，确定出输入与输出之间的关系。（2）采用自适应控制的方法对材料的挤压力进行控制并仿真。（3）通过实验获得冷冻挤压过程中产品的加工数据。冷冻挤压过程的主要参数有工作台的冷却温度、工作台的进给速度和对挤压装置的挤压力进行控制。工作台的冷却温度必须设定在梯度材料的凝固点以下，从而使被挤压出来的材料能够迅速凝固成型。工作台的移动速度必须与挤出率相匹配，对于一个恒定的挤出率，当工作台移动速度过快时，不能在工作台上形成均匀致密的堆积层，甚至会使挤压出的材料发生断裂。相反的，当工作台移动速度过慢时，材料泥浆会在工作台上的同一位置堆积过多，导致零件崩塌，或者可能堵住喷嘴，影响了零件的加工精度以及后续的加工。材料的挤出率与对其施加的挤压力成正比，在挤压过程中应保持恒定的挤出率，使材料均匀挤出，即保证有恒定的挤压力。由于梯度材料的制备是几种材料复合而成，因此，不但需要对每一个挤压装置施加一个恒定的挤压力，以保证材料均匀挤出，还要对几个挤压装置进行协调控制，以保证几种材料能够严格按照预定的比例进行混合，从而保证最终形成的材料能够满足加工要求。另外，在制备梯度材料的过程中可能会产生凝结块或者气泡，当凝结块或气泡破裂时都会使喷嘴处的材料所受挤压力发生变化，为了保证加工的零件满足一定的成型精度，就必须对挤压力进行时时控制，这是本课题的研究重点。4.研究方法和技术路线挤压过程所用的活塞装置由伺服电机所驱动，所以可以采用实验和理论研究相结合的方法，建立这一系统的数学模型。伺服电机的输入电压与挤压力之间的关系可以用一个一阶系统来描述，即对于这种阶次明确，但是参数未知的系统，可以采用系统辨识的方法对其参数进行估计。常用的辨识方法有最小二乘法、梯度校正法和极大似然法等等。最小二乘法（Least Square，LS）大约是1975年高斯（C.F.Gauss）在他著名的星体预报轨道研究工作中提出来的，并且成为了估计理论的奠基石。由于这种算法简明、收敛较快、易于理解等特点，在参数估计工作中应用广泛。最小二乘法有两种基本形式，一种是经典的一次完成算法；另一种是递推算法。前者主要用于理论研究，后者适用于计算机在线辨识。梯度校正法也是一种用于系统辨识的方法，它与递推最小二乘法具有同样的结构，即:新的参数估计值=老的参数估计值+增益矩阵×新息但是它的基本原理却完全不同于最小二乘法，它是沿着准则函数的负梯度方向，逐步修正模型的参数估计值，直至准则函数达到最小值。这类算法简单易懂，实时计算量小，但是收敛速度较慢。极大似然法是由Fisher发展起来的，这种经典的估计方法用于动态辨识可以获得较好的估计性质。它的基本思想与前两类方法完全不同，需要构造一个以数据和未知参数为自变量的似然函数，并通过极大化这个似然函数来得到模型参数的估计值。这种算法参数估计具有良好的渐近性质，但是计算量比较大。本课题所采用的单输入单输出系统，其矢量形式表示如下：式中y(k)和u(k)分别表示输出和输入，ε（k）为系统随机扰动。系统辨识的目的就是根据系统提供的信息（输入输出数据），在某种准则意义函数下，估计模型的未知参数，即上式中的a1和b0，计划采用递推最小二乘法进行在线辨识。经过参数辨识，可以得到系统的数学模型。由于挤压过程中挤压力有可能受到材料影响而发生变化，因此采用自适应控制可以对输出量很好地加以控制，使其满足实际加工的需要。自适应控制（adaptive control）不同于传统的调节原理和最优控制，它能够在被控对象的模型知识或环境知识知道的不全甚至知之甚少的情况下，使被控系统能够自动地工作于最优或接近于最优的运行状态，给出高品质的控制性能。自适应控制有许多种不同的类型，如模型参考自适应系统、自校正控制系统、变结构控制系统、自寻最优控制系统和智能自适应控制系统等。从理论研究成果和实际应用的情况来看，最广泛的是模型参考自适应系统和自校正控制系统。模型参考自适应控制（Model Reference Adaptive Control，MRAC）是从模型跟踪问题或模型参考控制（Model Reference Control，MRC）引申出来的。在MRC中，只要设计者非常了解被控对象（模型参数已知）以及它应当满足的性能要求，即可提出一个被称之为“参考模型”的模型，用它来描述希望的闭环系统输入输出性能。MRC的设计任务是寻找一种反馈控制规律，使被控对象闭环系统的性能与参考模型的性能完全相同。但是在对象参数未知的情况下，MRC是无法应用的。所以，可以采用那个参数估计值代替控制规律中的位置参数，从而得到MRAC结构。自校正控制系统（Slef-tuning Control,STC）的思想最早由R.E.Kalman于1958年提出的，对于这种控制算法的研究，在1973年之后取得了很大的成就。它由内环和外环两个环路组成。内环与常规反馈系统类似，由被控对象和可调控制器构成；外环由对象参数递推估计器和控制器设计计算机构构成，其任务是：首先由递推估计器在线实时估计被控对象参数，用以代替对象的未知参数，然后由设计机构按照一定的规则对可调控制器的参数进行在线求解，用以修改内环控制器。可以看出，自校正控制器是在线参数辨识和控制参数在线设计的有机结合，使得自校正控制方案非常灵活，各种参数估计方法和控制律的不同组合，可以导出不同类型的自校正控制方法，满足不同系统的性能要求本课题计划采用性能指标函数为如下形式的广义最小方差自校正控制：式中y(k)、yr(k)分别为实际输出及参考输出，u(k)为控制量，P(z-1)、R(z-1)和Q(z-1)分别为实际输出、参考输出和控制量的加权多项式，它们分别具有改善闭环系统性能、柔化参考输出和约束控制量的作用。控制系统的设计目的是选择控制律，使得上式中的性能指标J最小。5. 课题的主要难点及拟采取解决方案本课题的重点以及难点是对模型参数的辨识，由于系统的输入电压与挤压力之间的关系已用一个一阶系统描述，所以无需再对系统阶次进行辨识，主要是对系统参数进行辨识，得到一个准确的系统模型。另外需要对三个挤压装置进行时时控制，通过自校正控制使每一个挤压装置保持一个恒定的挤压力，挤出后的材料才能够按照预先设置的比例进行混合，保证最终形成的材料能够满足加工要求。整个研究工作的基础是对数据的采集，所以应该着手做好信号的采集工作，以利于开展后期的辨识以及控制方面的研究。6. 预期研究成果通过本课题的研究，希望所设计的控制器能够很好的应用在冷冻挤压机上，使系统的输出能够跟踪给定的参考输入信号，起到很好的控制作用。7  参考文献