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关键词： 故障诊断   并联谐振逆变电路   沃尔什变换   强跟踪滤波器  

摘要： 感应加热技术具有清洁、安全、高效、易控等独特优势,在工业热处理领域得到广泛应用。并联谐振逆变电路是感应加热电源的主要电路,当电路发生故障时将会导致设备瘫痪,严重时甚至会造成人员伤亡。因此,快速准确的诊断并联谐振逆变电路故障类型、定位故障点具有重要研究意义。本文对并联谐振逆变电路在线故障诊断方法展开研究,主要研究内容如下: 工件在加热时要求感应加热电源的输出功率大,但是单晶闸管的耐压值不能满足该要求。因此,本文设计了双晶闸管串联的并联谐振逆变电路。分析逆变电路的工作原理,利用Simulink对逆变电路进行仿真建模,将故障类型分为4大类。通过分析不同故障状态下的晶闸管两端电压波形与负载电压波形,得到故障诊断的关键特征参数为晶闸管触发角、偏移角。 其次,考虑到电磁干扰、测量误差等原因会导致采集的晶闸管触发角数据失真。本文采用强跟踪滤波算法对晶闸管触发角数据进行滤波,并在仿真平台验证滤波效果。通过分析仿真结果可知该算法在触发角无突变的工况下最大误差为0.8°,在触发角突变的工况下最大误差为2°,该算法在跟踪触发角突变的同时能够保证滤波精度。由于实际工作过程中逆变电路触发角不可测,因此,本文采用拉伊达准则对逆变电路触发角估计,进而得到晶闸管偏移角,为后文故障诊断奠定基础。 再次,针对频谱分析法不能诊断所有故障类型并定位故障点的问题,本文在频谱分析法提取的故障特征参数的基础上结合晶闸管触发角与晶闸管偏移角构成完整的故障特征参数。通过对故障特征参数分析,建立故障信息表,设计故障诊断算法完成故障诊断及定位。并在不同功率与电路动态响应的工况下验证了故障诊断算法的可靠性。 最后,设计了基于嵌入式的故障诊断系统,在并联谐振逆变电路实物平台上验证了逆变电路故障特征参数提取方法以及故障诊断方法的可行性。结果表明该故障诊断方法可以准确判断故障类型并定位故障点。

关键词： 布鲁氏菌病   环境感染   控制措施   最优控制   成本分析  

摘要： 布鲁氏菌病是由布鲁氏菌(Brucella)引起的一种人畜共患的急、慢性传染病.本文根据布鲁氏菌病的传播特性,在羊群内部感染和羊群-人共同感染两个不同感染框架下分别建立了三个考虑环境感染的布鲁氏菌传染模型,研究了布鲁氏菌的传播行为,并给出控制建议. 模型一,建立了一类考虑环境感染途径下羊布鲁氏菌病模型.通过对模型的定性分析,我们给出了模型的基本再生数以及无病平衡点和正平衡点的存在性以及全局稳定性条件.然后利用中国榆林绵羊的感染数据对三种不同环境感染函数下的模型进行参数拟合,对比了三种不同环境感染暴露函数对应的传播模型在控制方面的差异性.结果表明,有一类环境感染暴露函数下的模型表现出与其它模型的显著差异性.这意味着在实际建模中,需要考虑环境布鲁氏菌的函数表达式的选择. 模型二,建立了一类环境感染途径下以染病人数作为检测信息的人羊布鲁氏菌病模型.通过对模型动力学分析,得到了模型的基本再生数,给出了无病平衡点和正平衡点的存在性以及全局稳定性条件,并通过数值模拟加以验证.接下来,利用中国榆林绵羊的感染数据对参数进行拟合,并通过参数的敏感性分析选择了五项控制措施:给染病羊接种疫苗、清洗羊的分泌物、检测、消毒、及时治疗,建立一个最优控制模型并利用Pontryagin最大化原理进行求解.最后,使用增量成本效益分析对比几种不同控制策略效果,结果表明:给染病羊接种疫苗、清洗羊的分泌物,检测以及及时治疗的综合控制策略是成本最低、效率最高的方案. 模型三,建立了一类环境感染途径下以染病羊的数量作为检测信息的时滞布鲁氏菌病动力学模型.首先对模型进行了动态分析,给出了模型的基本再生数,证明了无病平衡点和正平衡点的存在性和稳定性,并得到了Hopf分支的存在条件.数值模拟验证了前述结论,发现随着时间延迟的增加,稳定的正平衡点变得不稳定,振荡幅度逐渐增大.说明检测时间的延迟会对模型的动力学行为产生影响.因此,选择适当的检测间隔时间有利于对布鲁氏病菌的控制.

关键词： 流行病   治疗比率   动力学方程   最优控制  

摘要： 大规模流行病对人类社会和全球民生造成了深远的影响。为了控制流行病的传播,采取治疗措施是一种非常有效的方法,在抑制流行病的过程中不可避免地发挥着巨大作用。而由于医疗资源的有限性,如何合理利用医疗资源从而使患者及时得到治疗是一个有关人民健康和安全的重大问题。本文基于最优控制理论,根据当前的流行病状况和预测结果对治疗比率进行动态调整,从而更灵活地应对流行病的变化,有效地控制流行病的扩散。关于最优治疗比率的研究,其主要内容如下: 一是本文将治疗比率定义为扩展治疗函数的一个参数,通过与真实数据拟合发现,相比于线性治疗函数,扩展治疗函数更能描述实际情况。该扩展函数已应用于流行病动力学方程,并计算了该模型的基本繁殖数,在此基础上利用归一化灵敏度指数对基本繁殖数进行了敏感性分析。其次,在流行病传播的前提下,构建了以经济损失最小化为目标的控制模型,证明了最优控制解的存在性,并应用了Pontryagin极小值原理计算出了最优控制解的数学表达形式。接下来,分别在ER和WS网络上模拟了最优控制策略,结果表明,最优控制策略更有效且更可行。最后,由于有些疾病并不具备免疫属性,本文对比了两类不同流行病在每个发展阶段所采取的治疗比率并进行分析,对于控制流行病的传播具有重要的现实意义。 二是基于第一部分得出的结论,即当流行病爆发时,社会应鼓励群众采取居家治疗,避免医疗压力。而对于重症患者,采取居家治疗方法显然是不可行的。因此为了做好重症患者的医疗救治和管理工作,我们对轻症患者和重症患者进行分类治疗,并计算了基本繁殖数。接下来,受Pontryagin极小值原理的启发,得出经济损失最小化问题的动态解。最后,通过对比分析仿真结果,证明了对患者进行分类治疗的必要性和有效性。 本文所提出的模型和方法可以为实现抑制流行病传播及最小化流行病给社会个体带来的经济损失提供了理论依据。该项研究不仅为今后应对类似危机事件提供了重要的理论经验,同时也有利于各级管理人员根据流行病传播情况进行快速响应,对于减小经济损失以及维护社会安定具有重要的现实意义。

关键词： 检测   基本再生数   后向分支   一致持续   最优控制  

摘要： 本文将具有临床特征的染病动物作为检测信息的来源,考虑已发现的染病动物未得到及时处理仍具有传染性,建立动力学模型分析检测行为对动物布鲁氏菌病(布病)传播的影响;考虑检测信息对接触传染率的影响,建立具有一般传染率的动物疫病传播模型.具体研究内容如下: 第二章基于布病检测的特点,考虑具有临床特征的染病动物和检测发现的染病动物未得到及时处理仍具有传染性,建立动力学模型分析检测行为对动物布病传播的影响.首先,计算模型的基本再生数,分析平衡点的存在性.其次,讨论平衡点的个数以及存在的条件,发现模型会出现后向分支;运用Lyapunov函数证明当R0<1时,无病平衡点在一定的条件下全局渐近稳定,当R0>1时,模型是一致持续的,根据庞特里亚金极大值原理制定最优控制策略并进行求解.最后,通过数值模拟验证理论结果,发现控制策略可以有效的控制动物布病的传播. 第三章基于动物检测的一般特点,考虑检测信息对接触传染率的影响,建立具有一般传染率的动物疫病传播模型.首先,计算模型的基本再生数,分析平衡点的存在性和唯一性;其次,运用Hurwitz判据、Lyapunov函数和第三加性复合矩阵的方法,证明当R0≤1时,无病平衡点全局渐近稳定,疫病消失,当R0>1时,地方病平衡点局部渐近稳定,在一定的条件下全局渐近稳定,疫病持续存在.最后,通过数值模拟验证理论结果,发现检测率越高越有利于动物疫病的控制. 最后总结全文,说明了研究结果的实际意义,并为下一步的研究提供了新思路.

关键词： 新能源汽车   车规级IGBT模块   非线性时变服役工况   热网络模型   材料温变特性   电热应力   现场载荷谱   可靠性  

摘要： 在新能源汽车电气化进程中,绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)模块被广泛应用于电机控制器(简称“电控”)系统,以满足电池组与驱动电机间的双向高效电能传输需求。作为电能变换的核心部件,电控系统的高压大电流和高功率密度的发展趋势,极热极冷环境和短时冲击工况的应用需求对车规级IGBT模块的低失效和高可靠运行提出了更严苛的需求。通过对车规级IGBT模块全服役周期过程中的失效机理分析,主要失效应力源可分为短时间尺度下的暂态过电和过热应力,以及长时间尺度下的热致积累应力。然而,现有针对新能源汽车场景下IGBT模块服役可靠性评估的工作尚处于探索阶段,对涉及多时间尺度的电热行为和老化分析不足,尚未建立有效的新能源汽车现场载荷谱表征与电控模块多物理场电热应力分析理论和体系。本论文从高可靠电控系统的工业实际需求出发,旨在为IGBT模块的载荷工况表征、等效传热建模和电热应力分析提供理论指导,为车规级IGBT模块在长期载荷谱下的老化寿命评估提供通用框架。论文主要研究内容总结如下: 首先,建立考虑多参数摄动的电控模块现场载荷数值迭代求解模型,实现对负载系统参数强耦合和非线性时变特性的准确描述。针对现有载荷求解模型未能面向多目标约束形成全控制区域统一表征理论,导致电控模块在现场载荷谱中的服役特性难以精准复现问题,通过揭示定子电阻、磁交叉耦合和磁饱和等非线性环节对负载系统最优电流轨迹刻画的影响规律,基于电流圆、电压椭圆和转矩双曲线等多约束条件,以隐式优化形式对全控制区域进行统一描述,进而结合由定子电感双线性插值构建出的动态雅可比矩阵,在每个载荷采样间隔下采用牛顿拉夫逊法对最优电流设定值进行迭代计算,为车规级功率模块非线性时变复杂服役工况的精准求解提供新途径。 其次,建立计及材料温变和水冷边界条件的多芯片模块等效热模型,揭示了内部材料特性和外部流体环境对阻抗参数的影响规律。针对现有等效传热模型在高低温环境和不明冷却液流速条件下的弱适用性问题,通过阐明塑封型功率模块各种组成材料的温变效应,基于虚拟温度重构不同材料节点间的动态热导参数,建立考虑热耦合的多芯片模块紧凑热模型,构建基于超定方程组最小二乘解的热导和热容参数分步辨识流程,揭示了不同流速条件下沿传热路径关键节点的热导和热容变化规律,为车规级功率模块在不同水冷温度/流速条件下热空间分布的精准分析提供有效工具。 再次,建立基于电-热-流多物理场交互的电控模块电热应力分析模型,在流体场引入后仍保持对模块电场和热场分析的高效性。针对现有的电热应力分析模型未能解决多时间尺度和多物理场耦合下应力仿真效率和精度之间的矛盾问题,通过分析器件开关暂态的非线性等效描述电路,推导基于半导体物理的功率器件电气模型代码化表达形式,构建非线性电气模型全参数自动寻优的两步参数提取流程,实现芯片高精度电气特性表征和收集。揭示训练数据的规模大小对所提出的数据驱动模型训练性能(如预测精度和过拟合风险)的影响规律,基于k折交叉验证算法有效地获取最佳训练数据规模,实现对暂态电应力的精准预测。进一步集成应用计及水冷边界条件的等效热模型,以动态热参数的形式来表征流体场对电热耦合应力分析的影响,为极端服役工况下车规级IGBT模块在短时间尺度内芯片级电热特性的联合仿真提供技术支撑。 随后,建立基于长期实车载荷谱的电控模块服役寿命多步映射模型,揭示了电控系统中环境、机械、电和热动态行为对应时间尺度的划分规律。针对现有车规级IGBT模块可靠性分析方法均基于短期标准载荷循环开展,在面对长期现场载荷谱输入时存在机械-电-热-力等动态行为的时间常数失配和计算效率低下问题,通过映射的思想将上述环境、机械、电和热动态行为均集中于秒级时间尺度以进行交互分析。构建以电机转速、转矩和直流母线电压采样数据为主体的现场多维载荷谱,结合所提出的模块服役工况迭代求解模型实现从载荷谱到模块离散工况的数值映射,结合所提出的模块电-热-流多物理场应力高效分析模型构建了模块服役工况与热应力的数理映射关系,弥补中、长时间尺度下的动态行为之间的交互空白,同时保持电路级仿真精度。结合经验寿命模型和雨流计数法以计算电控模块芯片键合线和焊料层对应的服役寿命消耗,揭示载荷谱分辨率、映射插值精度和电池电压等因素对寿命消耗计算的影响规律,为实现车规级模块的非周期热循环致老化过程中的多时间尺度建模提供理论指导。 最后,对本文的研究工作和主要贡献进行总结,并对后续研究内容进行展望。

关键词： 可重复使用运载器   扰动观测器   最优控制   Lyapunov稳定性   强化学习控制  

摘要： 针对存在参数不确定性和外部干扰的可重复使用运载器姿态控制问题，提出一种基于扰动观测补偿的在线强化学习姿态控制律，包含补偿控制律和最优反馈控制律两部分。建立了运载器面向姿态控制的模型，将参数不确定性与外部干扰归结为总扰动。采用双幂次扰动观测器，精确观测飞行器所受总扰动，获得补偿控制律。针对无干扰条件下的控制模型，定义线性滑模面，并设计关于滑模变量与控制量的积分型性能指标，获得对应的最优控制模型。采用Actor-Critic架构进行在线强化学习，近似求解最优控制问题，获得最优反馈控制律。基于Lyapunov理论，证明了闭环控制系统所有信号的一致最终有界性，通过数值仿真验证了所提方法的有效性。

关键词： 永磁同步电机   矢量控制   无位置传感器   扩展卡尔曼滤波器   鲸鱼优化算法   STM32G431  

摘要： 永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor,PMSM)由于具有制作工艺简单、调速范围宽、体积小、功率密度高等优点,因此被广泛应用于航空航天、船舶动力、新能源汽车、医疗器械等领域。其中,永磁同步电机的矢量控制依赖于转子位置信息的实时准确获取,因此需要安装位置传感器,而机械式位置传感器的使用,不仅增加了系统硬件成本,而且易受潮湿、振动等恶劣环境的影响,进而导致系统控制性能下降,甚至系统失控。针对上述问题,本文以永磁同步电机为研究对象,开展了基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)的无位置传感器矢量控制的研究,主要做了以下几点工作: 1.针对扩展卡尔曼滤波器中的噪声协方差矩阵存在参数选取困难的问题,提出了一种改进的鲸鱼优化算法(IWOA)对其寻优。其中,改进的鲸鱼优化算法是在鲸鱼捕食猎物阶段加入了线性递减的惯性权重因子,通过若干基准测试函数和若干群智能优化算法对比表面,改进的鲸鱼优化算法具有收敛速度快,寻优精度高等优点。之后基于改进的鲸鱼优化算法利用MATLAB和Simulink联合仿真对扩展卡尔曼滤波器中的噪声协方差矩阵进行优化,仿真结果表明,经过参数优化的扩展卡尔曼滤波器具有估计精度高、抗干扰能力强等优点。 2.针对扩展卡尔曼滤波器的延迟效应导致的系统抗干扰能力降低和传统的PI控制器难以兼顾系统响应的稳定性和快速性的问题,将模型预测控制(MPC)结合内模控制(IMC)负载观测器的方案引入到永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统的速度环中。系统仿真结果表明,该方案增强了基于扩展卡尔曼滤波器的无位置传感器矢量控制系统的动态响应能力和抗负载扰动能力。 3.搭建了以STM32G431微控制器为核心的矢量控制系统硬件实验平台,验证了永磁同步电机基于EKF和MPC的无位置传感器矢量控制系统的有效性和可行性,并做了空载、带载实验。 图[59]表[9]参[86]

关键词： 最优控制   路径拟合变分积分子   非线性规划   离散力学  

摘要： 在当前技术进步以及工业自动化不断深入的背景下,最优控制策略的开发与应用成为了众多领域的一个重要课题,在追求高效率和精确控制的同时,还需要考虑系统的能耗和稳定性。在数值求解最优控制问题的过程中,精确的离散方法起到了决定性作用,采用的差分格式越精确,所求的最优解就越有效。鉴于路径拟合变分积分子在精确追踪系统能量演化方面的出色表现以及其优越的性能,本文创新性地提出了一种应用局部路径拟合变分积分子来求解最优控制问题的数值方法,旨在为力学系统提供最优控制策略。 这种方法的核心在于利用路径拟合变分积分子对力学系统的受控方程进行离散,并将得到的离散运动方程作为最优化问题的等式约束条件。同时,离散的过程中也提供了一种自然的方式来合理地近似目标泛函和匹配边界条件,这样就把最优化问题转变为了有限维的非线性规划问题。本文提出的这种改进的数值规划方法继承了路径拟合变分积分子的所有优势,主要体现在转化后的非线性规划问题更真实有效,从而得到的最优解更精确,为长时间运行的非线性系统的全局最优控制提供了更大的可能性。此外还能显化欠驱动系统的控制力对所有变量的作用,为最优控制问题的研究与实践应用提供了一定的铺垫。 最后,文中系统展示了这个数值规划方法离散最优控制问题的详细过程,还通过门式起重机数值模型进行仿真实验。将利用新方法和经典方法所构造的非线性规划问题加以对比,分别计算出了最优解和系统的运行状态,最终验证了基于局部路径拟合变分积分子求解最优控制问题的方法具有很多优势。例如离散后得到的非线性规划问题更真实,不仅能够有效地模拟力学系统下最优控制问题的运动轨迹,而且在最优解的精度上更具优势,计算最优解的收敛速度也更快。表明该方法在工业控制领域具有高潜力的应用前景。