教学课程资源库 更多>>

关键词： 燃料电池   混合动力系统   模型预测控制   能量管理   最优控制  

摘要： 随着国家低空空域管理改革工作的深入推进,研究人员深入探索无人机在复杂低空环境下的运用方式。但目前我国大部分无人机多依赖内燃机或油电混合系统,其对环境污染的影响难以解决且不可忽视,全电飞机是未来航空领域发展的必然趋势。但全电飞机大多使用锂电池作为动力源,而其能量密度较低会导致无人机续航时间较短。故混合电推进技术作为当前研究的热点之一,具有极高的研究价值和发展潜力。 由于燃料电池具有高能量密度的优势,适用于低空运输固定翼无人机作为绿色动力源。本文拟设计一套燃料电池混合动力系统,但由于该动力系统在运作时需采用数个动力源同时输出,这将导致该系统输出功率时协调性较差,无法保证输出功率稳定。为解决这一问题,本文面向燃料电池混合动力系统动态特性进行建模,并对基于模型预测控制的实时控制策略和实时能量管理方法进行研究。本文创新点在于引入Multi Start算法与fmincon函数结合的方法求解基于模型预测控制中二次规划问题从而提高求解速度,同时为保证预测模型准确性建立了一阶单变量灰色预测模型。论文具体内容和结论如下: 本文进行了混合动力系统的拓扑结构选择及关键部件的选型工作。通过深入对比和分析三种不同混合动力系统拓扑结构各自的优劣势,本文论证了一种以燃料电池为主导,辅以锂电池和超级电容的双DC/DC混合动力系统架构的可行性。在此方案基础上,以1000 W燃料电池为核心匹配了锂电池、超级电容以及双向DC/DC变换器的明确型号和模型,完成整个系统的参数匹配与部件选型。 为了确保燃料电池混合动力系统的输出功率能够实现稳定控制,本文在MATLAB/Simulink环境中为燃料电池混合动力系统的关键部件建立了相应的数学模型,并进行了验证工作。针对燃料电池系统设计了无人机变高度下燃料电池维持最佳过氧比以获得最优功率的预测控制策略。基于混合动力模型和实际控制目标,本文针对混合动力系统预测控制策略中滚动优化环节设计了一种高效的二次规划求解方法,该求解方法针对该模型求解速度提升32.3%。 针对燃料电池混合动力系统多动力源协调控制和提高该动力系统能源利用效率,本文采取基于模型预测控制同一阶单变量灰色预测模型相结合的方法,构建了负载功率预测模型。在此基础上,将两种实时能量管理策略进行了深入对比:一种是基于模型预测控制,另一种是基于等效燃料消耗最小化。这两种策略均实现了需求功率在燃料电池、锂电池等不同类型动力源之间能量的有效分配。研究结果显示,与基于等效燃料消耗最小的策略相比,采用基于模型预测控制的实时能量管理策略后,系统效率提高了5.3%,并且平均耗氢速率减少了0.016 g/s。 为进一步提升无人机航程并验证能量管理策略,使用A*算法规划无人机在高原低空运输时的航迹,并结合两种实时能量管理策略分别进行模拟飞行任务仿真实验。结果表明采用基于模型预测控制的实时能量管理策略下燃料电池混合动力系统效率比采用基于等效燃料消耗最小的实时能量管理策略平均耗氢速率降低了0.007 g/s。同时前者能准确实时跟随负载需求功率,在爬升与降落阶段性能更优。

关键词： SiC IGBT   导通电压   栅氧化层长期可靠性   开关损耗   开关噪声  

摘要： 基于碳化硅（Silicon Carbide,SiC）制备的绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）兼具SiC材料宽禁带、高击穿电场、高电子饱和漂移速度、高热导率和IGBT器件高输入阻抗、高阻断电压、强电导调制的核心优势,有望发展为固态变压器、超高压柔性直流输电、大功率机车和动车组牵引等系统中电能管理和控制的“芯”脏,SiC IGBT器件的性能是决定上述超高压电力电子系统高效且安全可控地运行的关键。国际领先的研究机构和厂商在SiC IGBT样片研制方面已取得突破性进展,然而,进一步提升SiC IGBT的电学性能面临以下挑战: （1）导通电压与阻断电压存在折中关系,当采用载流子存储层提升注入增强效应时,一方面,过厚的载流子存储层致使阻断电压急剧衰退并引发栅氧化层长期可靠性问题。另一方面,过薄的载流子存储层则严重削弱器件的电导调制;（2）导通损耗与开关损耗的“内在矛盾”亟待优化解决,以降低器件整体的功率耗散;（3）沟槽栅结构是SiC IGBT的重要发展路径,如何兼顾接地与浮空电位P+屏蔽层的优势,仍然缺乏完整的解决策略。因此,如何通过结构设计实现SiC IGBT器件的低损耗、低噪声和高可靠性是产学研各界共同关注的核心科学问题。 据此,本文围绕SiC IGBT器件设计中新机制与新结构开展较为深入且系统的研究。建立双浮空P岛全耗尽与非全耗尽和P+屏蔽层电势自适应钳位新机制,提出集成型平面栅和沟槽栅SiC IGBT器件新结构,并对其进行器件建模与仿真分析。本文主要创新点包括: 1、建立双浮空P岛全耗尽与非全耗尽新机制,提出集成双浮空P岛（Dual Floating P-island,DP）的15k V平面栅SiC IGBT器件新结构。在传统平面栅SiC IGBT中,载流子存储层设计对导通电压与阻断电压的矛盾关系缓解效果不佳。因此,提出在器件P阱下方引入双层浮空P岛以及厚载流子存储层,并根据DP在器件雪崩击穿时是否全部耗尽,建立了非全耗尽（Non-Fully Depleted,NFD）与全耗尽（Fully Depleted,FD）双重机制。基于此机制,提出集成双浮空P岛的平面栅SiC IGBT器件新结构,其特点在于“DP对栅氧化层电场的自适应屏蔽”:在阻断状态,DP将被开基区PNP晶体管导通所钳位,与P阱一同对栅氧化层进行保护;在导通状态,厚载流子存储层显著增强电导调制;在关断瞬态,存储在发射极侧的载流子可以迅速抽取;在开通瞬态,DP降低了栅集电容,提升开通速度。基于Sentaurus TCAD进行元胞设计并完成电学特性分析,仿真结果显示,与传统平面栅SiC IGBT相比,在导通电压相同时,非全耗尽型DP-IGBT和全耗尽型DP-IGBT的关断损耗分别下降了55.3%和64.2%,并且非全耗尽型DP-IGBT的栅氧化层电场峰值下降了1.03MV/cm,开通损耗降低了29.9%。此外,由于存储于DP中的负电荷的补偿机制,DP-IGBT对多次开关过程中的动态退化效应具有免疫性。另外,DP-IGBT可采用“多次外延-多次注入”的工艺制备流程,无需增加额外的掩模板。 2、建立P+屏蔽层电势自适应钳位新机制,提出集成P+屏蔽层（P+shield）电势自钳位的12k V沟槽栅SiC IGBT器件新结构。传统沟槽栅SiC IGBT中P+shield为接地（Grounded P+shield,GP）或浮空（Floating P+shield,FP）电势,难以兼顾器件的损耗与噪声。而本文提出电势自钳位P+屏蔽层的是自适应调控电势,兼具接地或浮空电位优势。基于此机制,提出两种沟槽栅SiC IGBT新结构:（1）集成穿通型PNP BJT与增强型PMOS的SiC IGBT（PNP-IGBT）,（2）集成增强型PMOS的双沟槽SiC IGBT（DT-IGBT）。其特点在于“P+屏蔽层电势的自适应钳位”:在阻断状态,P+shield将被增强型PMOS导通所钳位在低电势,类似于接地电势;在导通状态,存在空穴势垒使得P+shield为浮空电势,而在开关过程中,P+shield电势在浮空与钳位之间自动切换。基于Sentaurus TCAD进行元胞设计并完成电学特性分析,仿真结果显示,相比GP-IGBT,在关断损耗相同时,PNP-IGBT和DT-IGBT的导通电压分别下降了10.8%和8.6%;相比FP-IGBT,在开通损耗相同时,PNP-IGBT和DT-IGBT的过冲电流分别下降了31.9%和27.1%。此外,PNP-IGBT和DT-IGBT在多次开关过程中P+shield电势的变化也验证了自钳位P+屏蔽层机制有效地结合了接地或浮空电位优势。 本文获得的新机制与新结构研究成果,为高性能超高压平面栅和沟槽栅S

关键词： 多水面航行器   编队控制   领航-跟随法   有限时间控制   最优控制  

摘要： 水面航行器作为典型海洋智能体,能够完成多样化的海洋作业,是海洋建设和国防工作中不可缺少的一部分,因而水面航行器的智能控制问题受到世界多国的广泛关注与研究。一般而言,独立的水面航行器在通信、感知和决策方面存在一定限制,而多个水面航行器的协同作业可以完成单个航行器无法实现的任务,从而提升系统的稳定性和可靠性。因此,水面航行器的协同编队控制成为控制理论与工程领域的焦点问题之一。为了实现编队目标,必须确保水面航行器在行进过程中保持一致的航速,且保持相对位置稳定。本论文以水面航行器为研究对象,基于反步控制、有限时间扰动观测器、最优控制理论、有限时间稳定等理论,考虑多水面航行器系统在理想状态、存在外部扰动状态和执行器饱和的情形下,解决有限时间编队控制问题。 本文的主要工作如下: (1)研究了基于反步控制的有限时间多水面航行器系统编队控制问题。反步控制与有限时间稳定控制相结合的思想,为多水面航行器系统设计有限时间编队控制协议,使系统的收敛性能得到有效提高。 (2)研究了存在扰动时的有限时间多水面航行器系统编队控制。考虑存在外部扰动以及执行器饱和情形下,设计一种多水面航行器系统编队控制协议,确保跟随者与领航者之间在有限时间内保持期望的相对位置和速度,实现稳定的编队队形。 (3)利用MATLAB对上述提出的编队控制协议进行验证。仿真结果显示,所设计的编队控制协议能有效解决存在外部扰动、执行器输入饱和情形下的多水面航行器系统编队控制问题,使得水面航行器形成期望的编队队形。 综上所述,本文主要针对多水面航行器系统编队控制问题,通过综合运用领航-跟随法、有限时间扰动观测器、反步控制等,提出了一种存在外部扰动的水面航行器有限时间编队控制方法,为推动航行器编队控制的应用提供了基础。

关键词： 知识传播   复杂网络   动力学分析   最优控制   时变参数  

摘要： 从古至今,人类文明发展与进步都离不开知识。人们获取知识不仅可以提高自身素质,还可以提高经济生产、促进社会繁荣。数字化时代的到来使得越来越多的人意识到知识的指导作用,它已经融入到了我们生活的各方各面。随着社会的发展,科技、文化、经济等各个领域都在不断变化和演进。为了适应这种变化,知识传播成为推动社会进步的重要手段。 知识传播是一种复杂的行为。现有的研究大多只关注传播过程中某种机制对传播过程的影响。然而,在现实生活中知识传播受到多种机制的共同作用,比如知识的难易度、个体的退化率、个体对知识的吸收能力等。目前有关多种机制的相互作用对知识传播绩效的影响尚未深入研究。此外,在实际生活中,知识的传播涉及到有限的资源,例如时间、金钱、人力等。如何以最小的资源消耗加速知识的传播是迫切需要解决的问题。针对以上问题,本文主要考虑多种知识传播机制的相互作用,对复杂网络中的知识传播过程进行了建模和动态分析。同时,为了以最小的资源消耗加速知识的传播,本文研究了IKSF知识传播模型的优化控制问题。论文具体工作如下: （1）本文根据传染病特性,将现有知识传播的内在规律融合起来,构建全新的考虑知识难易度的IKSF（Ignorant-Knower-Spreader-Forgetter）模型。仿真结果表示:知识点的难度越高,越不容易传播出去,同时自学习率、交流率和意愿率的提高对知识传播有积极作用,退化率的提高对知识传播有消极作用。 （2）为了研究复杂网络中的个体变化,本文结合平均场理论,利用复杂网络建模方法建立了具有多因素影响下的非线性动力学知识传播模型,并对其进行动力学分析,其中包括计算该模型的两个平衡点和基本再生数R0,进一步证明了平衡点的稳定性,同时还证明了网络中知识持续存在的条件。仿真模拟验证了理论分析结果。 （3）为了扩大知识传播范围,本文通过引入干预控制器来调节知识传播过程,并重新建立了基于优化控制的IKSF知识传播模型。通过奖励刺激和监督控制策略使得知识传播者数量最大,知识的传播范围更广。数值结果表明:在与无控制策略的系统相比,使用奖励刺激策略知识传播者个体数量增加了约为15%;使用监督控制策略知识传播者个体数量增加了约为16%;同时使用两种控制策略知识传播者个体数量增加了约为25%,效果最优。 （4）现有知识传播模型研究中,大多学者默认模型中的参数是定常的,为了使知识传播范围最广的同时成本最小化,本文研究了不确定参数下的IKSF知识传播模型的保成本控制。此外,提出了一个凸优化问题,用来确定知识传播过程中上限最小的最优保成本控制律。算例验证了所提方法的有效性。

关键词： 建筑供暖系统   模型预测控制   采样周期   最优控制   建筑热惰性  

摘要： 模型预测控制（Model Predictive Control,MPC）作为一种先进的控制策略,能够实现对波动系统的最优控制,其优异的鲁棒性使其在建筑供暖系统的中得到广泛应用。但MPC方法存在计算量大,求解时间长的弊端,导致现有研究中的建筑供暖系统MPC策略一般都采用较长的采样周期。而在建筑供暖系统中,MPC采样周期的选择与建筑供暖负荷波动周期存在密切联系:对于供暖负荷波动周期较小的建筑,适合采用较短的采样周期;对于供暖负荷波动周期较大的建筑,适合采用较长的采样周期。同时,选择最佳采样周期也应该权衡模型控制精度和模型求解时间之间的关系,在保证较高控制精度的前提下,优先选择更长的采样周期以缩短模型求解时间。但现有研究缺乏对建筑供暖负荷波动周期与采样周期之间关系的研究,导致建筑供暖系统MPC最佳采样周期的选择无据可依。 针对以上问题,本研究在建立了基于模型预测的建筑供暖系统运行优化模型的基础上,提出了建筑供暖系统MPC最佳采样周期的选择方法。首先,建立了基于粒子群优化的序列对序列长短期记忆预测模型（PSO-seq2seq-LSTM）进行建筑供暖负荷预测。其次,通过多软件联合建立了建筑供暖系统仿真平台,并结合供暖负荷预测模型,建立了建筑供暖系统MPC模型。最后,通过分析不同建筑中采样周期与建筑热惰性对MPC控制精度的影响关系,提出了不同建筑热惰性下综合计算精度与计算时间的最佳采样周期,并与比例积分微分（Proportional Integral Derivative,PID）控制方法对比。研究得到的主要结论如下: （1）建立了基于PSO-seq2seq-LSTM的建筑供暖负荷预测模型,以西安市某住宅建筑供暖负荷仿真数据为输入,预测未来24个采样周期供暖负荷数据。结果显示,PSO-seq2seq-LSTM模型在预测建筑供暖负荷时始终具有较高精度,相比于LSTM模型预测结果,其平均R2、RMSE和MAE分别提升了34%、54%和48%,相比于seq2seq-LSTM模型预测结果,其平均R2、RMSE和MAE分别提升了32%、54%和58%。同时,由于采样周期越小,输入数据的时间分辨率越高,历史数据与未来数据的时间相关性越强,该模型在预测不同采样周期供暖负荷数据时,预测精度会随采样周期的缩短而提高。 （2）在层高为3m的独立单体住宅建筑中,通过选择我国现阶段四种典型建筑墙体,即半砖墙、3/4砖墙、1砖墙、3/2砖墙,作为建筑外墙;分析了在不同占地面积下,不同外墙建筑供暖系统MPC最佳采用周期的匹配规律。研究结果显示:对于半砖墙建筑,当建筑面积小于30m2时适合使用小于10min的MPC采样周期,当建筑面积大于60m2时,更适合使用不小于15min的采样周期。在3/4砖墙建筑中,由于该墙体的热惰性较半砖墙更强,因此建筑整体热惰性更强,此时任意一种建筑面积均适合使用不大于15min的采样周期。在1砖墙建筑中,当建筑面积小于60m2时,推荐采样周期不大于15min,而当建筑面积大于60m2时,推荐使用不大于30min的采样周期。在3/2砖墙的建筑中,由于建筑热惰性较大,推荐采样周期不大于30min。 （3）建筑供暖系统在基于最佳采样周期的MPC方法控制下,建筑室温稳定性和供暖系统水力稳定性都优于PID控制方法,建筑室温稳定性提升范围为5%-57%,平均提升约22%;供暖系统流量稳定性提升范围为29%-68%,平均提升约45%;水压波动幅度下降范围为3%-74%,平均下降约24%。

关键词： 媒体报道   最优控制   意识计划   传染病   高风险人群  

摘要： 传染病的传播严重危害人类健康,给社会造成巨大的生态、经济损失,传染病的防治一直是世界性课题。本文包括两个模型,第一个模型研究媒体报道以及隔离感染者对新型冠状病毒感染传播的影响;第二个模型是将感染者分为有意识感染者和无意识感染者,将易感者分为高风险易感者和低风险易感者,使用数学模型和最优控制方法研究了疫苗接种和提高意识计划对传染病传播的影响。 首先,建立了具有媒体报道和隔离的传染病模型。利用基本再生数Rc讨论了平衡点的存在性与稳定性。分析了模型参数a(有症状感染者的隔离率)、参数p(有症状感染者的恢复率)和参数m0(媒体报道系数)对基本再生数的影响,发现隔离有症状感染者、提高有症状感染者的恢复率和加大常态化宣传传染病知识的媒体报道,能降低基本再生数Rc。通过数值模拟验证了理论结果的正确性。 其次,构建了一类具有意识影响的数学模型,该模型考虑了高、低风险的易感者和有、无意识的感染者对传染病传播动力学的影响。定性分析了数学模型,求解了基本再生数R0,并进行了稳定性分析和分岔分析。接着对模型进行了数值模拟和灵敏度分析,讨论了参数对基本再生数的影响。最后最优控制分析表明,将疫苗接种和提高意识计划策略相结合,可以有效地减少感染个体,从而控制传染病的传播。

关键词： IGBT驱动   压接型IGBT缺陷   TO封装芯片   缺陷辨识  

摘要： 为了“双碳”目标的早日实现,我国对新能源的大力发展越来越重视,IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)凭借其出色的开关特性已成为新能源领域中最为重要的部分,其寿命状态以及缺陷对器件和系统都有着不可忽略的影响。本文以搭建双脉冲实验平台为基础,通过对IGBT驱动的研究选定合适的栅极电阻,最后基于上述设备利用TO封装的芯片对IGBT设备状态进行辨识与分析,通过实验结果与仿真结果进行对比,验证了建模和方法的准确性。本文的主要内容如下: 本文首先对IGBT驱动参数和压接型IGBT失效进行调研,明确本文的重点为压接型IGBT缺陷的辨识与分析,对压接型IGBT缺陷的实验驱动进行栅极电阻选型,确定本文所采用的利用TO封装构建模型的实验方法。阐述了IGBT动静态参数测试以及双脉冲测试的基本原理,并进行实验所需器件的选型。 根据所搭建的平台,对IGBT驱动电路、驱动参数以及开关损耗进行了简单介绍,进行了栅极电阻的选型,总结不同阻值的电阻对IGBT器件开关过程中的损耗以及电压电流过冲的影响,为第四章缺陷构造与辨识提供实验基础。通过仿真对栅极电阻修改进行了验证,并且通过搭建实验电路修改电阻,验证了栅极电阻修改的影响,与仿真进行了对比,最后选择了恰当阻值的电阻。 为对压接型IGBT的缺陷进行辨识与分析,在对压接型IGBT器件结构以及成本考虑后,采用TO封装芯片来进行缺陷建模。首先对压接型IGBT缺陷进行了介绍,明确了采用TO封装芯片来模拟缺陷的方法可行性,提出通过对栅极电压电流的检测,提取米勒平台电压以及关断延迟时间来对IGBT缺陷的状态进行定位。之后通过仿真验证了方法的可行性,通过模拟剩余不同数量的芯片可以通过波形的差别进行缺陷模拟。最后进行PCB建模,基于前文的实验平台进行了压接型IGBT缺陷模拟的实验,观测了实验波形,提取了相关电气量,与理论猜想和仿真验证对比,证明了TO封装方法的可行性,为后续压接型IGBT缺陷的研究提供了思路与参考。