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关键词： 自适应动态规划   策略迭代   非线性系统   最优控制  

摘要： 近年来,最优控制受到越来越多的学者关注,并成为控制领域研究的热点问题,广泛应用于空间技术、系统工程、经济管理与决策等领域。最优控制理论是为了被控对象能够按照预定的要求运行,并得到最优的性能指标函数,而根据建立的被控对象的数学模型去选择一个容许的控制律。但在实际的动态系统研究中,存在一些持续时间非常短暂的扰动或突变,这些突变会对系统的动态行为产生重要的影响,甚至改变系统的特性。因此,对带有扰动系统的最优控制的研究具有重要意义。 自适应动态规划(ADP)是解决最优控制且有效避免“维数灾难”的一种方法。其思想是根据函数近似结构,逼近动态规划方程中的性能指标函数和控制律以满足最优性原理,从而获得最优控制和最优性能指标函数。目前ADP算法应用最广泛的为值迭代(VI)和策略迭代(PI)两种主要方式,但VI算法容易陷入局部最优,所以本文主要采用PI算法,对非线性离散脉冲系统及非线性连续扰动系统的最优控制问题进行研究。主要研究工作如下: (1)针对离散时间非线性系统的最优脉冲控制问题,提出了一种基于策略迭代(PI)的自适应动态规划(ADP)算法。首先引入脉冲区间集的约束条件,将系统转换为离散时间非线性脉冲控制系统,并根据哈密顿-雅可比-贝尔曼方程得到脉冲控制下的最优性能指标函数。其次提出了一种基于PI的ADP算法解决了脉冲系统最优控制问题,并给出了脉冲系统的收敛性分析。然后提出了一种策略评估算法,放宽了PI算法的初始条件,解决了初始值选取困难的问题。最后通过仿真实例验证了该算法的有效性。 (2)针对非线性连续时间零和博弈的最优控制问题,提出了一种基于策略迭代(PI)的增量自适应动态规划(ADP)算法。该算法通过贝尔曼最优性原理得到零和博弈控制下的最优性能指标函数,然后利用策略迭代得到最优值函数和最优控制对;并通过引入不同的增量因子来调节性能指标函数的收敛速度。利用常数a作为收缩条件,限定了性能指标函数的上下界,并对最优控制的收敛性进行分析。数值仿真结果表明,该算法具有一定的有效性。

关键词： 网络货运道路货物运输   演化博弈   稳定策略   自动控制   最优控制  

摘要： 网络货运道路货物运输 (以下简称网络货运) 作为电商平台市场的重要组成部分, 近年来在我国市场上蓬勃发展, 为方便快捷的货物运输提供了便捷的途径. 由于市场的激烈竞争和不规范的运营, 网络货运市场也面临着一系列的问题, 如实际承运人违规运营、平台监管不规范等, 托运人的利益可能因为实际承运人的违规运营而受损. 本文从自动控制和最优控制视角研究平台实际承运人合规运营演化, 讨论控制设计. 运用演化博弈分析方法, 构建网络货运托运人与实际承运人的博弈模型, 同时运用自动控制工具, 以网络货运经营者为控制方, 以其对实际承运人违规运营惩罚的期望值和对受损托运人赔偿的期望值为控制变量, 通过调节控制量的大小影响双方的支付矩阵, 分析控制措施对网络货运双边用户演化动态的稳定性和演化轨迹的影响. 然后, 以网络货运管理者对实际承运人违规运营的发现率为控制变量, 综合考虑控制效果和控制成本, 提出了具有约束性的容许控制集的最优控制模型. 运用极大值原理, 将最优控制设计问题转化为两点边值求解问题. 利用Python软件进行数值仿真, 展示了最优控制率下实际承运人合规运营率的变化. 具体工作如下.　　(1) 网络货运促合作演化控制研究　　以网络货运市场为研究对象, 基于演化博弈论和自动控制理论, 把网络货运市场抽象为理想化模型进行研究. 首先, 确立了博弈主体、博弈顺序和各博弈主体的策略集, 依据对应的收益矩阵, 求出各参与方的收益. 其次, 对托运人和实际承运人进行有限理性假设和学习规则假设, 利用复制子动态刻画平台状态的演化, 建立托运人和实际承运人演化博弈模型. 最后, 求解二维演化博弈模型的演化稳定策略, 利用 Friedman 均衡点稳定性和李雅普诺夫 (Lyapunov) 第一方法, 对网络货运演化博弈模型进行分析, 通过对不同条件下各均衡点的稳定性分析, 得出了托运人群体和实际承运人群体的演化稳定策略 (ESS) .　　(2) 基于补偿-惩罚的网络货运促合作控制仿真　　在网络货运演化博弈研究的基础上, 对有、无控制下网络货运演化动态进行稳定性分析, 仿真分析了不同控制机制下实际承运人与托运人之间的演化博弈路径和演化稳定策略 (ESS) , 并比较分析了网络货运对实际承运人实施不同监管策略的效果. 研究显示: (1) 没有控制下的实际承运人与托运人之间的演化博弈没有 ESS, 其演化轨迹是一个环;(2) 对受损托运人的补偿措施以及对实际承运人违规运营的惩罚措施的大小均未达到临界值之前, 博弈的演化依然是一个环, 只是延长了循环周期, 但对合作有一定的促进作用;(3) 网络货运经营者对被受损托运人采取的补偿措施虽然有助于保护其合作积极性, 但也纵容实际承运人的违规运营行为, 相比之下, 网络货运经营者对选择违规运营的实际承运人实施的惩罚措施, 则能有效抑制网络货运中的违规运营行为, 当违规运营的惩罚期望值足够大时, 合作将得以成功演化. 实现实际承运人的合规运营和托运人与网络货运的合作率的理想状态, 应加强对违规运营的识别和高额惩罚, 同时辅以适当的补偿措施, 以加速合作演化稳定进程.　　(3) 促进实际承运人合规运营比率提升的最优控制　　在网络货运促合作控制研究基础上, 以违规运营识别率为控制输入, 建立最优控制模型. 首先, 引入目标泛函, 提出容许控制假设, 在初始状态、动态约束等条件约束下, 寻求最优控制律使目标泛函最小. 然后, 通过函数变换, 消除控制约束, 引入哈密顿函数, 利用极大值原理将最优控制设计问题转化为两点边值求解问题, 使用逐次逼近算法对最优控制问题进行求解, 设计最优控制律. 利用 Python 软件, 对表征网络货运市场实际承运人演化的主要指标进行数值仿真, 仿真结果显示了所提方法的有效性.

关键词： IGBT模块   可靠性   Cauer热网络模型   状态监测  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)目前广泛应用于多种高可靠性系统,例如电动汽车、飞机和工业驱动系统等领域。结温是造成IGBT失效的原因之一,同时也是反映IGBT模块健康状态的重要参考因素,因此,结温的精准监测对预防IGBT模块故障和对其进行寿命评估至关重要,而热网络法是监测IGBT模块结温的重要手段。 在IGBT模块的实际应用中,往往伴随着老化的出现。由于IGBT模块工作时的恶劣环境和其高速开关频率,使得IGBT模块会面临较大的温度波动,因芯片和键合线之间热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)不同,会导致芯片与键合线之间产生热-机械应力,从而造成键合线的失效,引起IGBT模块结温升高,这不仅影响功率变换器的性能,严重时还会造成系统损坏,故对键合线的老化状态监测也尤为重要。同时,虽然随着工艺技术的改进,在IGBT模块生产时会尽量消除焊料层空洞,但仍不可避免,且IGBT芯片在开通状态和关断状态中不停切换,会使焊料层老化程度逐渐加深。焊料层老化在初期时面积很小,但随着老化程度的加深,会使其内部的传热路径改变,使焊料层更容易老化,从而导致模块失效。因此要对IGBT模块焊料层老化程度进行监测。基于上述分析,本文开展了对结温和老化状态监测方法研究,具体内容如下: 首先,针对国内外已有的监测IGBT模块结温的热网络模型法,总结其利弊,并结合IGBT模块物理结构和其中硅胶材料的物理特性,根据其实际热流路径,建立了一种侵入式硅胶测温方法的双向Cauer模型,并研究硅胶温度和芯片温度的关系。 其次由于IGBT模块在实际应用中由于承受热-机械应力,键合线会逐渐发生老化,通过对已有的理论进行分析,研究了基于侵入式硅胶测温方法的IGBT双向Cauer模型计算得到的结温和键合线老化之间的关系,从而提出了一种新的键合线老化监测方法,并用仿真和实验验证其正确性。 最后IGBT模块在生产之初本就存在少量焊料层空洞,且随着IGBT模块的使用老化程度会逐渐加深。针对上述情况,本文通过计算和仿真,研究了利用本文所建立的Cauer模型区分底板和芯片焊料层老化对温度的影响,探究出了一种新的区分焊料层老化的方法,并通过实验验证了其正确性。

关键词： Insulated gate bipolar transistors   Wire   Finite element analysis   Bonding   Shearing   Temperature measurement   Junctions   Substrates   Morphology   Surface morphology   IGBT module   Al bonded wire-Al metallization layer bond interface   bond interface degradation   cohesive zone modeling   shear test   microdefect  

摘要： For high-power modules with wire bonding as the interconnection method, fatigue damage and cracking at the bond interface are important forms of module failure. However, the currently used numerical models of the bond interface neglect the influence of microdefects and damage evolution of the interface material and cannot accurately describe the degradation process of the mechanical properties of the bond interface. In this work, the shear strength of the Al-bonded wire-Al metallization layer bond interface of an insulated-gate bipolar transistor (IGBT) module after different numbers of power cycles was measured via shear tests, and force-displacement (F- $\delta $ ) curves and fracture surface morphologies were obtained. The experimental results indicate that the bond interface strength decreases significantly as the number of power cycles increases. To describe this phenomenon, the cohesive zone model-based finite discrete element method (CZM-based FDEM) is introduced in the bonding zone;that is, the bonding zone is discretized via triangular elements, and cohesive elements are inserted between adjacent triangular elements to describe the cracking process of the bond interface. By randomly assigning different material property parameters to the cohesive elements, the microdefects can be characterized, and by adjusting the proportions of cohesive elements with different strengths, the phenomenon whereby the bond interface strength decreases during power cycling can be better demonstrated. Finally, a comparison with the results of shear tests validated that this method can effectively predict fracture processes at the bond interface and is able to describe the degradation of the interfacial mechanical properties observed in the experiments.

关键词： 时变脉冲   定性理论   最优控制   一阶必要条件   二阶必要条件  

摘要： 瞬时突变现象即脉冲现象是广泛存在自然界和科学技术各个领域的一种自然现象。脉冲微分系统是描述带有脉冲现象的发展过程,即兼具离散和连续特征问题的基本模型。基于大量实例,我们提出一类时变脉冲微分系统并分别研究了该时变脉冲微分方程和相应无穷维时变脉冲微分方程的适定性理论,即包括解的存在性、唯一性、周期性以及解关于参数的连续性和可微性,尤其是从几何角度精准刻画了解的脉搏现象（即脉冲时间的分布规律）。在此基础上,我们考虑了时变脉冲微分方程支配的最优控制问题,获得了最优控制的一阶必要条件和二阶必要条件。 研究结果表明脉冲会破坏原系统的固有属性,如原微分系统的解是存在且关于初值有较高的正则性,但相应的时变脉冲微分系统的解可能是不存在的以及解关于初值即使在1空间中也无连续性;原系统没有周期性,但相应的时变脉冲微分系统具有周期性等。此外,微分方程支配的最优控制问题,我们可以通过研究Pontryagin极大值原理（拟变分问题）来获得最优控制。即如果该变分问题有唯一解,则该解必为最优控制。而时变脉冲微分方程支配的最优控制问题,其Pontryagin极大值原理的解往往不唯一（此时常称为奇异最优控制）。这表明脉冲会增强最优控制问题的奇异性。为此,我们引进一些新概念,从几何角度刻画了脉搏现象,获得了时变脉冲微分系统的基本特征,揭示了时变脉冲微分系统与微分系统的本质异同。

关键词： 高速动车组   半主动控制   最优控制   阻尼控制   硬件在环实验  

摘要： 高速化、长里程、气候环境多变等因素会导致高速动车组长期服役性能的劣化,列车上的传统被动减振器在运行过程中不能较好地适应外界条件的变化,进而导致车辆服役性能的下降。因此,需要探索可变阻尼的悬挂控制系统来保证高速动车组在复杂多变的运行工况下仍能保持优良的车辆动力学性能。论文以降低车体和构架的横向振动为目标,提出了二系横向减振器的新型半主动控制方法,并开展了硬件在环的半主动控制实验,检验了控制效果,主要内容如下: (1)新型混合半主动控制策略的设计。基于Matlab/Simulink软件建立了高速动车组四分之一车辆模型,综合考虑了线性二次最优控制策略(LQR)和连续型天棚阻尼控制策略(Continuous SH)分别在中高频和低频范围内的控制优势,通过二者在车体横向加速度频域中的交叉点进行切换,提出了一种新型混合半主动控制算法,实现了从低频到高频的良好控制效果。 (2)基于L-C混合控制策略的整车动力学仿真分析。基于UM-Simulink联合建模方法建立了高速动车组整车模型。并对LQR、Continuous SH和L-C混合控制策略分别进行不同工况下的仿真分析。结果表明,L-C混合控制策略在提升车体平稳性方面效果最好,能在整个频率范围内降低车体的横向振动,并有效地抑制了车轮踏面磨耗且能够保证车辆的安全性。 (3)基于多目标半主动控制策略的整车动力学仿真分析。针对L-C混合控制会增加动车组构架横向振动的问题,引入基于加速度的地棚阻尼控制策略,提出一种新型多目标控制策略,并在不同工况下开展了整车仿真分析。结果表明,多目标半主动控制策略可以通过调节权系数降低车体和构架的横向振动。 (4)基于硬件在环的半主动控制实验研究。搭建了硬件在环实验平台,分别在正弦激励和随机激励下检验了被动、LQR、Continuous SH和L-C混合控制策略对车体横向加速度的控制效果。实验结果表明,L-C混合控制策略能够输出更宽的控制电压和阻尼特性,抑制车体横向振动的效果最好。 研究结果对发展高速动车组悬挂系统半主动控制方法,提高更高速度等级动车组运行平稳性具有一定的理论和应用价值。

关键词： 最优控制   多种群竞争   食物链   共轭方程组   年龄-性别结构  

摘要： 近些年来,人们已经把生物种群作为可再生资源进行开发.这样一来,种群内部的个体年龄分布、社会等级等一系列因素就会对实际的经济收益造成直接或间接影响.因而有关于生物种群的控制理论研究就显得十分重要,尤其是在最优控制方面的研究.而目前多数的文献研究的还是单一或两种群时的情况,但在实际情形下,更多种群的情况更为普遍.因此就有必要考虑研究多种群的生物种群模型. 而在生物种群中,等级地位差异、雌性数量均是极其重要的因素.有许多例子已经表明,这些因素会影响种群的平均生育率和死亡率.就以雌性数量来说,如果一个种群中的雌性数量过多,雄性就不能与所有的雌性配对,即使和剩下的、未配对的雌性配对,雄性也可能很快就会失去活力,进而死去.这样一来,一方面,种群的平均生育率就会下降了;另一方面,在这一群体中的雄性会因逐渐失去体力,致使免疫系统减弱,最终迎来死亡,那些已经退化了的雌性也可能在下一次交配后死于难产,这种种就导致了种群平均死亡率的上升.在人工养殖的农场当中,情况更是如此.所有的这些都将可能对个人或集体的经济利益产生重大影响.因此,对于这些因素的研究也是非常必要的. 基于此,本文研究两类多种群的模型以及一类具有新结构的多种群生物模型. 第二章考虑一类具有年龄等级结构的n维食物链种群系统的最优收获问题,首先利用Banach不动点定理,研究系统解的适定性;其次构造极值化序列和运用相关的紧性定理证明控制问题最优解的存在性;最后通过构造共轭系统和利用法锥概念的刻画,得出控制问题最优解的一阶必要条件. 第三章讨论的是一类具有年龄等级结构的n种群竞争模型的最优收获问题,首先需利用压缩映射原理来研究系统解的存在唯一性;其次运用极值化序列和相应的紧性定理来证明控制问题最优解的存在性;最后构造适当的共轭方程组和利用法锥的概念刻画,得出最优收获控制问题解的一阶最优条件. 第四章则是研究一类新结构,即一类具有年龄-性别结构的两种群竞争系统的最优收获问题,首先运用压缩映射原理研究系统模型解的适定性;其次构造极值化序列以及运用相关的紧性理论证明最优控制问题解的存在性;最后建立共轭方程组,并根据法锥的概念刻画,得到极大值原理.

关键词： 三电平逆变器   直接转矩控制   中点电压平衡   切换开关表   电压幅值跳变   切换SVPWM  

摘要： 由于转矩和磁链脉动较大、电流谐波畸变严重,以及逆变器开关频率高等原因,传统的两电平逆变器的直接转矩控制不能满足高性能控制要求。相较于两电平逆变器,三电平逆变器拥有输出电平数量多、开关管数量多能够有效降低谐波、减少电压应力和开关频率、提高控制精度等优点。因此其能够被用来改善传统直接转矩控制(Direct Torque Control,DTC)。然而三电平逆变器直接转矩控制也存在开关表的构建复杂、中点电压平衡、过高的电压幅值跳变(dv/dt)以及逆变器开关管控制复杂等问题。这些问题往往互相耦合,需要综合考虑。为解决这些问题,本文以中性点钳位型三电平逆变器的永磁同步电机直接转矩控制为研究对象进行研究,主要研究内容如下: (1)提出了基于切换开关表的三电平逆变器DTC算法。针对NPC三电平逆变器的中点电压不平衡问题,分析基本矢量对中点电压的影响后,提出了一种新的中点电压平衡策略。在新的中点电压平衡策略基础上研究了一种切换开关表的三电平逆变器DTC算法并建立仿真模型验证所提控制策略正确性。仿真结果表明系统能够在保证中点电压平衡的情况下,准确的控制转矩和磁链和速度,并且电流、转速等性能良好。 (2)提出了基于切换SVPWM的三电平逆变器DTC算法。针对基于切换开关表的三电平DTC系统电压幅值跳变过高以及开关表的构建复杂的问题,分析电压幅值跳变的原因并提出避免过高电压幅值跳变的策略。结合空间矢量调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM),提出了一种基于切换SVPWM的三电平逆变器DTC算法,最后在仿真平台上进行验证。仿真结果表明系统没有发生过高的电压幅值跳变,并且转矩脉动得到抑制。 (3)搭建基于三电平逆变器DTC系统的硬件实验平台。完成了控制和驱动板的硬件电路设计与调试,同时给出部分器件的选型,给出主程序和部分重要子程序的软件设计流程图。将所提的两种控制算法在硬件实验平台上进行实验验证,实验表明基于切换开关表和基于切换SVPWM的三电平逆变器DTC算法都能够在保持中点电压平衡下安全可靠运行,并且基于切换SVPWM的三电平逆变器DTC算法能够避免线电压和相电压的过高幅值跳变。