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关键词： 齿轮传动   有限元方法   二次开发   参数化建模   可靠性分析   代理模型  

摘要： 在机械设备中,传动系统是动力沟通与转换的重要部分,其安全性和可靠性对产品质量有着重大影响。由于传动系统在工作过程中容易承受波动较大的随机载荷,使其成为了最容易失效的部位之一。利用齿面高副接触传递动力的外啮合平行轴齿轮减速器,以其传动的精密性、平稳性和高效性,成为了最常被使用的一种传动装置。但由于动力传递过程中,齿轮间的啮合容易产生较其他机构更多的疲劳循环而引发失效。因此,对齿轮啮合的力学响应和可靠性进行分析与研究工作,对保证传动装置平稳可靠运行有着重要意义。 本文基于齿轮传动特性,结合失效理论,对齿轮传动系统的有限元建模和可靠性等问题开展了研究。主要内容如下: (1)构建齿轮几何模型与啮合过程的数学表达,得到影响齿轮模型的参数,并确定建模流程。基于齿轮实际加工过程和啮合传动过程,构建齿轮齿廓线、螺旋线以及啮合模型的数学表达式并做坐标转换,为齿轮的建模提供理论依据并引入参数,方便可靠性分析需要模型随参数改变的要求。 (2)研究参数化的齿轮有限元建模方法,并通过计算仿真得的齿轮的力学响应,完成齿轮分析平台的搭建。基于有限元软件和齿轮力学分析流程,制定了参数化的有限元建模流程,编写了几何、网格、装配、载荷以及边界条件的全参数建模程序。依据这些程序编写了宏文件与用户交互界面,完成了齿轮啮合仿真平台的搭建。 (3)进行齿轮啮合平台的分析精度验证。设计齿轮减速器试验器,进行实验并将试验的结果与本平台输入相同参数得到的结果对比。接着齿轮啮合仿真平台中输入其他论文算例中的参数,并将结果对比。完成有限元模型的精度和适用性对比。 (4)研究齿轮的可靠性分析方法。基于所搭建仿真平台得到齿轮系统的精确响应值,建立样本池。基于失效理论与应力-强度干涉模型得到齿轮传动装置的功能函数,建立了Kriging、多项式混沌展开以及Co-Kriging三种不同的代理模型并分别完成不同代理模型的精度验证,其中搭建的Co-Kriging代理模型,结合了高、低精度的有限元样本点,具有效率高、精度高的优势。最后结合蒙特卡罗法完成齿轮多种极限状态函数可靠度的计算。

关键词： 传动齿轮   疲劳寿命   瞬态动力学   疲劳试验   有限元分析  

摘要： 齿轮是汽车传动系统最主要的零部件,承担着改变转矩、转速的重要作用,其强度与疲劳寿命直接影响整个传动系统。目前针对汽车传动系统齿轮的疲劳分析大多以静力学结果为基础,不能反映齿轮运转过程中动态特性对齿轮疲劳寿命的影响。本文以某低速级电动汽车主减速器齿轮为研究对象,分别通过时域和频域两种疲劳分析方法进行动态疲劳寿命分析,并通过试验验证仿真结果。本文主要研究工作如下:(1)对齿轮进行强度校核,常用工况接触分析和使用寿命计算。根据GB/T3480-2021标准进行弯曲和接触强度校核;基于齿轮常用工况进行传动误差、滑动率等接触特性分析及使用寿命计算;对齿轮进行静态接触分析,根据仿真得到的应力结果结合齿轮材料的S-N曲线对齿轮副进行多工况组合疲劳寿命分析。通过理论与仿真结果对比,验证了仿真模型的正确性。(2)开展了齿轮时域疲劳寿命的研究。通过瞬态动力学模块对齿轮副的传动过程进行动态分析,分析了传动过程中齿轮在不同啮合位置第一主应力、接触应力、Von Mises应力最大值的变化情况;将应力时域曲线通过傅里叶变换转化为应力频域曲线,得到应力在频域内的分布情况;根据动态应力分析结果,应用名义应力法结合疲劳损伤理论和齿轮材料的S-N曲线,在疲劳分析软件Ncode Designlife中对齿轮副进行时域疲劳寿命计算。(3)开展了齿轮频域疲劳寿命的研究。首先对齿轮进行模态分析,根据模态分析结果应用模态叠加法对齿轮进行频率响应分析,分析了从动轮在0-8000Hz频率范围内轴向和周向的位移和加速度频率响应;应用多体动力学模块计算齿轮在啮合过程中速度随时间的变化曲线,将其转化为速度功率谱密度;通过Ncode Designlife软件随机振动疲劳模块结合频率响应分析得到的频响函数及速度功率谱密度进行频域内振动疲劳寿命分析。(4)开展了齿轮接触疲劳试验。利用封闭功率流式疲劳试验台对齿轮进行接触疲劳试验,试验过程中通过显微镜对齿轮进行点蚀监测,通过提取润滑油液中的磨粒信息对齿轮进行磨损监测,记录齿轮的失效时间,得到疲劳寿命结果。齿轮失效后,将轮齿放在扫描电镜(SEM)下观察齿轮表面的失效情况。对比试验与时域疲劳寿命和频域疲劳寿命,结果表明时域疲劳寿命计算结果偏危险,频域疲劳寿命计算结果偏保守,两者计算结果误差均在合理范围内。相比于静态疲劳分析,时域和频域疲劳分析可以反映齿轮啮合过程中动态特性对齿轮疲劳寿命的影响,能够更为准确地预测齿轮的疲劳寿命。

关键词： 成形铣削   可转位齿轮盘铣刀   刀具廓形   刃形曲线   瞬时铣削力模型  

摘要： 随着我国“碳达峰,碳中和”理念的提出,大型风电传动齿轮作为风力发电设备的核心构件,其应用和需求量大面广。基于成形原理加工的齿轮盘铣刀是当前生产大型风电传动齿轮的主要装备,然而传统齿轮盘铣刀只能针对特定型号的齿轮进行加工,否则就会产生加工原理误差,刀具通用性差,并且大型风电传动齿轮模数大,尺寸大,齿廓曲线复杂,致使刀具设计难度大,刀具设计精度低,只适用于粗加工或半精加工工况,进一步增大了加工原理误差,为了保证被加工齿轮的加工精度与使用寿命,仍需后续二次加工,加工效率低,无法最大程度发挥成形铣削的原理优势。铣削力是评判工件表面质量以及最佳工艺参数的理论依据,由于铣削力是工艺系统多参数协同作用的结果,精准预测铣削力具有极高的技术难度,目前,尚未见关于大型风电传动齿轮铣齿过程中的铣削力预测研究。围绕上述重大需求与技术瓶颈,在国家自然科学基金的支持下,重构了可转位齿轮盘铣刀廓形设计方式,开展了铣齿过程中瞬时铣削力数值模型的理论研究工作。重构了不同形式的齿廓曲线及可转位刀片刃形曲线设计方式,并建立了数值模型;基于参数化设计,构建了整体可转位齿轮盘铣刀三维实体模型;进行了铣齿加工分析,提取了齿廓曲线坐标参考点,基于傅里叶函数分析了拟合齿廓曲线与理论齿廓曲线的吻合度,研究了刀具廓形曲线重构设计的合理性,基于齿轮啮合应力学特性,研究了齿轮廓形曲线重构设计的合理性;建立了可转位齿轮盘铣刀瞬时铣削力数值模型,分析了模型的准确性,具体研究内容如下:(1)建立了齿轮渐开线实际廓形曲线数值模型,基于共扼齿条顶角相对运动轨迹,建立了齿根过渡曲线方程,依据齿根过渡圆弧空间相对位置,重构了不同形式齿廓曲线的设计方式;基于逆向投影法,以被加工齿轮的各项参数为变量,建立了刀片刃形曲线数值模型,根据刀片空间包络原理,重构了可转位齿轮盘铣刀廓形曲线设计方式;进行了齿轮齿廓及刀片刃形曲线数值分析,研究了大型风电传动齿轮齿廓曲线以及可转位齿轮盘铣刀刀片刃形曲线的主要形式。(2)研究了数值分析结果与二维工程图像相互转换的技术路径,进行了刀盘参数化设计;确立了刀片定位槽的基本形式,依据刀片、刀盘、刀片槽三者之间的空间位置关系,对刀片槽进行了参数化设计;根据切屑形成机制,通过引入容屑系数,对容屑槽进行了参数化设计。(3)建立了可转位齿轮盘铣刀三维参数化模型,进行了铣齿加工分析;提取了齿廓曲线的坐标参考点,基于傅里叶函数生成了齿廓拟合曲线与拟合方程,分析了拟合廓形曲线与理论廓形曲线的吻合度,对刀具廓形曲线重构设计的合理性进行了验证;分析了被加工齿轮啮合传动过程中的应力学特性,对齿轮廓形曲线重构设计的合理性进行了验证。(4)建立了微元瞬时铣削力数值模型,对瞬时切削厚度,切削力系数及坐标转换矩阵进行了数值推导;建立了以时间为变量,以工艺系统各项参数为参变量的可转位齿轮盘铣刀瞬时铣削力数值模型并进行了数值分析,得到了刀具铣齿过程中铣削力随时间的变化趋势以及具体数值;分析了可转位齿轮盘铣刀瞬时铣削力数值模型预测性能的准确性。

关键词： 少转数   行星传动   局部同步拟合   窄带解调   改进互相关阶次谱  

摘要： 行星传动在工业机器人RV齿轮箱等机械设备中应用广泛,其能承载较大的载荷,体积小但具有较大的传动比。由于工作环境恶劣,行星传动的关键旋转部件(如齿轮、轴承等)经常发生局部故障。关键旋转部件产生故障将使齿轮箱的运行状态受到影响,程度较轻时会造成生产链停滞,影响生产;故障程度较大则会产生严重的生产事故,造成较大的影响。因此,进行行星传动系统的故障检测方法研究,对避免由于齿轮故障而引起的机械安全事故具有重要意义。行星传动是一个典型的复合运动,导致其振动信号在运行过程中产生复杂的调制及多元耦合现象。另一方面,由于行星轮在运行过程中其位置不断发生变化,导致定点采集的振动信号其传递路径也随着行星轮不断变化,会削弱齿轮故障信息,加大齿轮故障特征检测的难度。本论文针对行星传动受时变传递路径影响导致所需数据量大且故障检测算法复杂的问题,研究适用于较少旋转圈数工况下的行星传动齿轮故障检测方法。振动信号是旋转机械故障特征检测的有效手段,在行星传动齿轮故障检测方法中,传统的加窗振动分离是消除行星传动时变传递路径的技术,但该方法计算时需要大量数据,不适合只有较少旋转圈数的场合。为此,本文提出一种基于局部同步拟合和窄带解调的行星传动齿根裂纹故障检测方法。该方法首先对行星齿轮箱振动信号角域重采样,再通过局部同步拟合技术估计出确定性分量;随后,基于研究中提出的啮合谐波能量比最大准则自动选择包含齿轮故障信息较丰富的滤波阶次频带,并进行窄带解调;最后,通过幅值解调和相位解调揭示齿轮故障特征。另一方面,瞬时角速度信号在行星齿轮传动中不存在时变传递路径的问题具有较高的信噪比。为此,本文提出一种基于瞬时角速度信号改进互相关阶次谱的太阳轮故障检测方法。首先,通过轴编码器采集角度编码信号,利用向前差分法将角度编码信号转换成瞬时角速度信号;随后,分别获取包含故障信息的窄带包络信号和Teager能量算子信号;最后,将窄带包络信号和Teager能量算子信号进行互相关分析,通过互相关阶次谱检测太阳轮齿根裂纹故障特征。本文以单级行星齿轮箱为研究对象,通过实验台验证本文所提方法的有效性,并与常用的行星传动系统齿轮故障检测方法进行对比,证明了本文所提方法在行星传动齿轮故障检测中的有效性。

关键词： 疲劳寿命预测   平均应力   载荷间相互作用   广义多项式混沌理论   概率疲劳寿命  

摘要： 航空发动机作为飞机的心脏,在一定程度上决定了我国航空航天事业的发展。航空发动机的附件传动装置是关键转动部件,在复杂工况下,承受着离心力、周期性载荷、冲击载荷等机械载荷的作用,其结构、加工、装配、使用条件苛刻而复杂,其可靠性和寿命预测是目前研究中急需解决的问题。由于国内在齿轮材料的自主研发和齿轮设计方面缺乏经验,导致齿面磨损、齿面胶合和齿根断裂等故障频繁发生,造成严重的后果。目前,对于机械结构的疲劳寿命预测方法研究,国内已形成相应的理论体系,但仍然存在很多亟待解决的问题。本文针对平均应力、载荷间相互作用以及不确定性因素对疲劳寿命的影响,从以下三个方面对疲劳寿命预测方法进行研究:（1）建立Walker指数的拟合公式,并提出了基于应变的考虑平均应力影响的疲劳寿命预测模型。Walker平均应力修正模型中,考虑到平均应力对不同材料的影响程度不同,引入了敏感度参数,使其对大部分材料都具有较好的修正效果,但其Walker指数的获取成本高,限制了在工程中的应用。本文通过调研文献中不同材料的试验数据,通过分析Walker指数与材料强度极限的关系,建立了确定Walker指数的拟合公式,并基于M-C模型提出了考虑平均应力效应的改进应变-寿命模型。（2）建立考虑载荷间相互作用影响的非线性疲劳累积损伤模型。通过分析载荷间的相互作用对疲劳损伤的影响机理,发现在高-低载荷作用下,载荷间的相互作用会使疲劳寿命缩短;而在低-高加载下,疲劳寿命则会延长。本文在叶笃毅韧性耗散模型的基础上,考虑载荷间相互作用效应,提出了改进的非线性累积损伤模型。（3）建立考虑不确定性因素影响的概率疲劳寿命预测方法。齿轮在工作中往往会受到大量不确定性因素的影响,采用确定性疲劳寿命预测方法往往得不到令人满意的结果。本文采用多项式混沌理论来处理不确定性问题,将不确定性因素视为服从某一分布的随机变量,并结合第三章所提出的非线性累积损伤模型,提出了考虑不确定性因素影响的概率疲劳寿命预测方法。

关键词： 动车组传动齿轮   Copula函数   Gamma过程   P-S-N曲线   时变可靠性  

摘要： 高速铁路的快速发展对车辆零部件可靠性提出更高要求。传动齿轮作为动车组传动机构最重要的部件,对乘客和列车的安全性起到至关重要的作用。传动齿轮强度和应力具有时变特性,导致可靠度随时间呈现波动下降趋势。此外,传统可靠度计算方法未考虑多失效模式共同作用的问题。因此,同时考虑相关性和强度退化对动车组传动齿轮进行可靠度计算具有重要意义。本文基于应力-强度干涉模型,利用时变混合Copula函数和非线性Gamma函数等方法,建立考虑失效模式相关性和时变共同作用下的传动齿轮可靠度模型,计算其时变可靠度,为动车组安全运行提供保障。本文主要研究工作如下:首先,考虑多级失效相关性计算动车组传动齿轮静态疲劳可靠度。针对传统可靠度计算方法默认层级元素相互独立的情况与实际不符的问题,提出考虑随机变量相关性、应力-强度相关性及各失效模式相关性的可靠性分析方法。建立基于相关性矩阵的传动齿轮随机变量相关性模型,基于蒙特卡洛抽样方法得到考虑相关性的变量抽样数据;建立基于改进相关角的应力-强度相关性模型,得出考虑相关性的失效模式应力-强度数据;建立基于混合Copula函数的多失效模式相关性模型,利用最大似然估计法计算参数,建立动车组传动齿轮静态可靠性模型,计算基于多级相关性的传动齿轮疲劳可靠度。其次,考虑强度退化问题计算动车组传动齿轮动态疲劳可靠度。针对随机参数随时间或载荷作用次数不断变化导致强度随时间发生退化的问题,提出了基于P-S-N曲线和非线性Gamma退化过程的时变可靠度计算方法。利用材料P-S-N曲线推导得到非线性Gamma函数特征参数;根据Gamma函数计算结果得到强度退化量特征参数,考虑强度退化量和应力随机性建立齿面接触疲劳和齿根弯曲疲劳失效模式的时变应力-强度干涉模型,利用该模型对参数进行抽样,确定应力和强度概率分布,建立动车组传动齿轮时变可靠性模型,计算多失效模式独立下的传动齿轮时变疲劳可靠度。最后,同时考虑多失效模式相关性和时间对可靠度影响,计算动车组传动齿轮动态疲劳可靠度。为解决传动齿轮多失效模式相关性问题,提出一种对上尾和下尾相关性敏感的时变混合Copula函数,利用任意时刻样本计算结果和样本组合的随机性的样本扩充方法扩充时变混合Copula函数的样本,得到改进后的Copula函数系数计算公式。基于ARMA过程计算时变混合Copula函数的权重和参数矩阵,利用赤池信息准则筛选符合要求的时变混合Copula函数,结合该函数建立动车组传动齿轮时变可靠度模型,计算同时考虑相关性和强度退化的传动齿轮时变疲劳可靠度。

关键词： 线控转向   变传动比   模拟退火算法   主动转向   线性二次规划  

摘要： 汽车转向系统作为车辆的关键组成部分,极大影响了车辆操纵性能的好坏与行驶安全。线控转向（Steering by Wire,SBW）系统作为转向系统当前最前沿的研究方向之一,可以有效解决车辆性能在低速行驶与高速行驶时的矛盾,彻底解决力传动特性与角传动特性的耦合。提升了车辆的稳定性,且更易于驾驶员操控,并提升驾驶体验。本文以线控转向系统作为研究对象,对变动比算法进行研究,提出利用模拟退火算法对关键参数定增益值进行优化,基于全局最优定增益值设计传动比。依据线控转向系统结构特点,提出并设计了基于线性二次规划的主动转向系统上层转角控制器。本文主要研究内容如下:1)分析线控转向系统的组成及原理,建立直流有刷永磁同步电机动力学模型。建立路感模拟总成以及转向执行总成动力学微分方程。将建立SBW系统模型替代C-Class型车辆中的原有转向系统得到整车模型。进行仿真测试,结果表明线控转向车辆模型准确有效,可以用于后续传动比算法与主动转向系统的研究。2)本文对已有研究进行分析,采用基于定横摆角速度增益法设计传动比。将传动比算法设计转换为前轮横摆角速度在增益值与转向盘横摆角速度增益值问题的求解。测试整车在多个前轮阶跃输入工况下的响应,根据车辆稳态横摆角速度值,计算得到离散前轮转角增益值。暂时选取方向盘定增益值,计算得到不同车速、转角下的离散传动比,利用最小二次插值得到全部传动比数值。并对所得传动比进行修正得到修正传动比算法。3)采用模拟退火优化算法优化关键参数定横摆角速度增益值。确定模拟退火算法搜索域、链长等基本参数,选取操纵稳定性综合评价指标作为能量函数。优化得到不同车速下对应定横摆增益值。基于各增益值分别设计变传动比算法,并在多个车速工况下进行的测试,对结果加权综合分析,得到最终采用的定增益值,以此设计传动比算法。进行仿真测试,结果表明采用优化后增益值设计的传动比算法效果比优化前更好,并且车辆转向性能都优于机械转向系统车辆。4)根据SBW系统结构特点,采用主动转向系统控制整车的动态稳定性。基于线性二次规划（Linear Quadratic Regulator,LQR）设计AFS系统的上层转角控制器。由第二章模型推导离散的时变参考模型。根据传动比算法以及车辆实时状态确定跟踪目标。采用工程整定法优化权重矩阵初值,确定性能指标函数。利用数值迭代求解黎卡提代数方程,解得LQR控制器最优控制率。仿真测试控制器效果,结果表明所设计LQR控制器可以有效提高车辆操稳性能,并可以独立于驾驶员对车辆进行控制,但是在极端路面状态下对车辆的控制效果恶化。

关键词： 传动齿轮   故障诊断   变转速   多通道多分量分解   分量数目估计   时频聚集性度量  

摘要： 齿轮箱作为动力机械设备的主要传动和变速装置,对动力机械设备的稳定安全运行有着重要的作用。因此,对齿轮箱运行状态进行监测与识别具有重要的实际意义,这其中提取出能够反映齿轮箱运行状态的特征量是关键。然而,齿轮箱运行工况多变、激励多,导致其振动信号具有多分量的非平稳、非线性,以及低信噪比的特点,且会在时频域上表现出强时变、紧邻或重叠等复杂特征,这都会影响到齿轮箱故障特征的清晰准确提取。因此,怎样运用有效的信号处理与分析方法,从具有复杂时频特征的多分量信号中,提取出齿轮箱的状态特征信息一直是研究的热点。传统的以时频尺度特征为依据的时频分析方法,在从具有上述复杂时频分布特点的齿轮箱振动信号中提取故障特征时,均不同程度地存在一定的局限性。基于此,本文引入一种新的多通道多分量分解方法(Multichannel Multicomponent Decomposition,MMD),并在解决其部分理论缺陷的基础上,将其应用于变转速工况下齿轮箱的故障特征提取,主要开展了以下研究工作:(1)对多通道多分量分解方法的理论进行了阐述和分析,总结出多通道多分量分解方法具有自适应性、正交性、分解结果稀疏性等特点,并给出了启发式算法适应度函数与多分量数量搜寻的关系,为使用不同优化算法的MMD算法的分解效率做研究准备工作。针对齿轮箱振动信号特点,通过不同的时频域支撑特点的仿真信号考察MMD方法分解范围,将不同分解依据的经典分解方法进行对比分析,分析表明MMD对紧邻信号、时频重叠信号的分解效果明显优于EMD、VMD两种分解方法。(2)针对MMD对高采样信号分解效率低的问题,将对数窗时频能量准则引入MMD分解方法,对数窗时频能量准则能折中选择窗长,提升信号时频聚集性,使得时频度量计算精度更高,计算效率更快,提升MMD方法的分解效率。(3)针对MMD方法分量个数估计抗噪性差的问题,分析了最强特征值分量估计方法做为MMD方法的分离估计方法的缺陷,创造性的提出了多通道时频切片累加算法对原始信号的分量进行估计。该方法充分考虑了信号在时频支撑域上的切片的形态特征,多通道累加后,分量在切片上能量更大,谱线峰值更尖锐。因此多通道时频切片累加算法更能准确估计原始信号的分量个数,使得MMD方法成为具有完全自适应性的分解方法。(4)提出了基于MMD方法的包络阶次谱方法,将MMD方法运用在变转速工况行星齿轮箱振动信号和定轴齿轮箱振动信号上。实验数据分析表明,该方法能在复杂时频支撑域中准确提取出了低频域紧邻分布的信号分量和强势时变分量,有效地提取出变工况齿轮信号故障特征,对比其他分解方法显示出该方法的优越性。

关键词： 线控转向系统   变角传动比   RBF神经网络   路感模拟  

摘要： 近年来,随着世界经济总量的迅速增长以及科技水平的日益提高,智能汽车逐渐进入大众的视野。线控转向技术作为智能汽车的关键技术之一,因其具有占用空间小、控制精度高等优点而备受关注。本文主要对线控转向系统的结构以及关键总成的控制方法进行了研究,主要内容如下: (1)首先对线控转向系统进行建模。根据线控转向系统的结构以及工作原理,确立了方向盘总成与转向执行机构总成的动力学微分方程,并建立了线控转向系统动力学模型。最后搭建CarSim-Simulink联合仿真平台进行仿真分析,仿真结果验证了所建线控转向模型的正确性。 (2)根据线控转向系统的结构优势,对线控转向系统变角传动比方案进行了设计。首先从改善汽车转向特性的角度出发,设计了基于转向灵敏度固定的变角传动比方案;针对转向灵敏度难以确定的问题,采用遗传算法对其进行优化,并确定了最优转向灵敏度;针对高速区间传动比偏小的问题,使用模糊控制方法对高速区间传动比进行修正。最终确立了基于转向增益固定方法与模糊控制方法联合控制的变角传动比方案。通过典型工况进行仿真验证,证明了本文设计的变角传动比方案的优越性。 (3)对线控转向系统转角控制问题进行了研究。为了降低线控转向系统中的不确定动态以及未知干扰对转角控制精度的影响,本文提出一种复合自适应神经网络控制器。利用跟踪误差与建模误差共同调节网络自适应学习率,实现对系统不确定动态的逼近。针对复合干扰模型的先验知识存在难以获得的问题,本文引入干扰观测器技术对复合干扰进行有效估计。最后搭建SbW系统硬件在环实验平台对所提算法进行实验分析,实验结果验证了所提算法的优越性。 (4)对线控转向系统路感再现问题进行研究。考虑到线控转向系统存在路感难以获得的问题,本文提出了一种路感模拟方案,并通过仿真验证了所设计方案的有效性。为了提高路感的模拟精度,本文设计了基于状态反馈H∞路感跟踪控制器,并通过仿真验证了所设计控制器的优良性能。