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关键词： 多物理场耦合   ANSYS有限元分析   IGBT驱动模块设计  

摘要： 随着高压大功率电力电子技术迭代升级,在电气、新能源等多个具有发展前景的支柱行业中,各种功率半导体器件的广泛应用成为电力行业发展中不可或缺的一环。在这些功率器件中,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)凭借其优异的性能表现尤为突出。然而,以风能、太阳能为代表的新能源电力在大规模接入电网时面临电力不稳定等问题,对电网的平衡及调度带来巨大挑战。针对以上问题,需要设置无功补偿装置动态补偿系统无功功率、稳定电网电压,在各种补偿方案中基于IGBT的级联H桥拓扑静止无功发生器是非常适合的解决方案。但是级联H桥静止无功发生器拓扑存在电磁和温度环境复杂、板卡间信号传输易受干扰等问题,对其中IGBT驱动模块稳定运行存在较大挑战。综上,设计运行稳定、抗干扰能力强和电磁兼容的IGBT驱动模块,对保障静止无功发生器装置正常运行、解决新能源入网电压波动问题和助力国家能源绿色低碳转型,具有深远研究意义。 本文以静止无功发生器装置中三相换流链的IGBT驱动模块为主要研究对象,阐述IGBT器件工作原理和主要失效机理;以设计性能可靠且功能完备的IGBT驱动模块为研究目的,设计IGBT驱动硬件;推导IGBT器件电磁场和温度场之间的耦合关系,建立多物理场耦合数学模型;以专业有限元分析软件ANSYS和电路设计EDA软件为研究工具,建立IGBT多物理场耦合高精度有限元离网仿真模型,优化IGBT驱动模块布局布线设计;最终建立功率硬件布局布线评估体系和模块化设计架构。 通过仿真得出在驱动模块中IGBT器件、电解电容及主电路周围较窄区域存在电流集中现象,且电流密度和磁感应强度较大、温度较高,该区域为主要发热源,因此易受电磁干扰和热传导影响。随后通过样机实验验证得出:实际温度分布与仿真结果相差3℃以内,准确度最高达到97.74%。本文所建立的功率器件硬件模块化设计架构,在减少IGBT器件功率损耗、降低设计成本和提高设计通用性方面体现出优越性,为驱动模块硬件优化设计提供理论支撑。经该系统设计的板卡已通过功能性测试并常态化运行。

关键词： 最优控制   强化Q学习   离散系统   外部扰动  

摘要： 在工业控制领域中,最优控制的应用十分广泛,尤其体现在解决二次型指标最优控制以及最优追踪控制等问题上。然而,由于实际应用中很多系统本身存在复杂性和不确定性,因此,在许多情形下,要求系统模型完全已知并不现实。同时,在系统运行的过程中,出现外部干扰以及系统参数变化等复杂情况也是不可避免的,这些都给系统的稳定运行带来挑战。因此,本文基于强化学习算法,在不依赖于系统模型的情形下,对一类模型未知的离散时间系统的最优控制问题进行了一些研究。具体研究工作内容如下: 1.研究了带有外部扰动的离散系统的最优控制问题。基于系统模型求解离散时间博弈代数Riccati方程得到了最优值函数。通过求解其纳什平衡点得到了最优控制律。为了避免对系统模型的依赖,引入了Q函数,开发了基于数据的强化Q学习算法,利用从实际系统中收集的数据学习到了最优Q函数,通过求解最优Q函数的纳什平衡点得到了不基于模型的最优控制律。通过比较两个控制律的结果,验证了强化Q学习算法的有效性。 2.研究了带有输入时延的离散系统的最优控制问题。通过引入新的状态变量,将原本存在输入延迟的系统转化为增广的无延迟系统。利用贝尔曼最优性原理和强化学习思想,在系统模型未知的情形下,对增广的无延迟系统采用了强化Q学习算法。基于系统数据进行策略评估和策略改进,通过不断迭代得到最优的Q函数,从而设计最优控制律使得系统能够达到渐进稳定的状态。 3.研究了带有给定参考信号的离散系统的最优H∞追踪控制问题。给定参考信号,针对未知的追踪误差系统,采用了自适应Q学习算法。通过引入Q函数和自适应系数来学习到最优的Q函数,并证明了这种自适应Q学习算法的收敛性。为实现自适应Q学习算法,提出了Critic神经网络结构,基于系统数据逼近了未知的Q函数,并用最小二乘格式对神经网络权值进行了更新,再使用梯度下降法最终得到纳什平衡点。最后,采取最优控制策略达到系统输出追踪到参考信号的控制目标。 综上所述,本文针对未知的离散系统,考虑了在具有外部扰动、输入时延情形下的最优控制一些相关问题。基于强化Q学习算法,利用实际系统数据,在不要求系统数学模型已知的情形下达到控制目标。并分别通过数值仿真验证了强化Q学习算法的有效性。

关键词： 人乳头瘤病毒   性传播   非性传播   稳定性   最优控制  

摘要： 人乳头瘤病毒（HPV）是性传播疾病中的一种常见病毒,不仅可以通过性接触传播,还可以通过非性接触传播.因此,在异性恋和男男同性人群中考虑人乳头瘤病毒的性传播与非性传播两种传播途径,建立人乳头瘤病毒传染病传播动力系统,研究疫苗接种、性和非性传播对人乳头瘤病毒传播的影响,对人乳头瘤病毒的防控具有重要意义. 性活跃的人群常会感染人乳头瘤病毒,但在儿童等无性行为人群中感染人乳头瘤病毒的情况也频频发生.人乳头瘤病毒的非性接触传播不容忽视.因此,根据人乳头瘤病毒的两种传播途径,建立了具有性传播和非性传播的人乳头瘤病毒传染病传播动力系统.首先,给出了系统中异性恋女性、异性恋男性和男男同性人群人乳头瘤病毒传播路径的表达式,给出了系统的传播阈值R0.根据赫尔维茨判据证明了当R0<1时,无病平衡点局部渐近稳定.证明了当R0>1时,系统存在正平衡点且疾病持续存在.其次,基于广东省兴宁市数据采用最小二乘法对系统进行了参数估计.利用拉丁超立方抽样和偏秩相关系数对R0进行了敏感性分析,结果表明提高疫苗接种率、减少性和非性接触可能是预防HPV传播的有效控制措施.最后,将最优控制理论应用于系统中,证明了最优控制的存在性,并利用庞特里亚金最大值原理寻找最优控制策略,并进行了最优控制的数值模拟和HPV传播预测.结果表明,在不同控制成本中,当个体负担的控制成本越低,可以负担起的感染个体数越多,整体感染的人数就越少,所以从长期角度来看,个体负担的低成本控制是最优控制. 2020年11月17日,中国首次承诺到2030年要实现90%的女孩在15岁之前完成人乳头瘤病毒疫苗接种的目标,并于2022年8月30日将九价人乳头瘤病毒疫苗接种年龄拓展为9-45岁.因此,根据人乳头瘤病毒疫苗接种年龄的不同,建立了具有个体年龄分组、性传播与非性传播的人乳头瘤病毒传染病传播动力系统.首先,利用下一代矩阵给出了系统的传播阈值R0,证明了当R0<1时,无病平衡点局部渐近稳定.证明了当R0>1时,系统存在正病平衡点且疾病持续存在.其次,基于中国性病监测点数据采用最小二乘法对系统进行了参数估计.最后,将最优控制理论应用于系统中,证明了最优控制的存在性,并利用庞特里亚金最大值原理寻找最优控制策略,预测了不同年龄组人乳头瘤病毒的传播.结果表明,对于不同年龄段接种疫苗,16-45岁人群接种疫苗比9-15岁人群接种疫苗更有利于控制人乳头瘤病毒;对于实施不同的控制成本,低成本控制更有优势.

关键词： 不确定非线性系统   优化控制   自适应控制   自适应动态规划   命令滤波器  

摘要： 在工业制造、智能控制和能源管理等领域,除了要保证系统的稳定性和安全外,还需要控制生产成本和能源损耗,这对控制系统提出了更高的性能要求。因此,近年来对非线性系统的最优控制的研究已经成为现代控制领域的研究热点之一。最优控制理论要求系统在保证稳定性的同时又可以使得系统的性能指标最优,但是当控制系统具有诸如输入时滞,输入量化和输出约束等实际系统特征时,相关的优化控制问题还有待进一步研究。因此,本文针对一类不确定非线性系统,考虑系统具有输出约束、输入时滞、未建模动态和输入饱和等特性,结合量化控制、事件触发控制、有限时间控制和自适应控制等技术,提出几种基于命令滤波的自适应优化控制方案。该研究具有重要的理论意义和应用价值。本论文的主要工作如下: 第一,针对具有输出约束和输入饱和的不确定非线性系统提出了有限时间最优控制策略。基于命令滤波器技术和自适应动态规划方法设计了前馈与最优反馈相结合的控制结构,前馈控制器中设计了二阶命令滤波器和误差补偿系统,可以消除滤波误差对系统性能的影响,同时避免了有限时间控制中的奇异性问题。在最优反馈控制器的设计中,提出了一种新的评价权值更新律,利用神经网络来逼近相关的代价函数。控制方案保证了优化系统中的所有信号都是半全局实用有限时间稳定(semi-global practically finite-time stable,SGPFS),并且使得代价函数最小。通过仿真实验验证了算法的有效性。 第二,针对一类具有输入量化的严格反馈非线性系统,基于命令滤波器技术,提出了自适应最优事件触发控制策略。运用自适应动态规划方法设计最优事件触发控制器,开发了辨识-执行-评价的架构简化强化学习算法。采用命令滤波器技术解决了量化输入给优化控制带来的难点。控制方案不仅保证了闭环系统中所有的信号半全局终结一致有界(semi-globally uniformly ultimately bounded,SGUUB),也保证了代价函数最小,同时节约了网络资源,避免了Zeno现象。最后,通过仿真实验验证了算法的有效性。 第三,针对一类具有输入量化和输入时滞的严格反馈非线性系统,基于命令滤波器技术和自适应动态规划方法,提出了自适应最优控制策略。利用预设性能变换,使得跟踪误差在预先设定的范围之内。在上一节研究基础上进一步解决了优化控制中对输入时滞处理的问题。控制方案不仅保证了闭环系统中所有信号SGUUB,也保证了代价函数最小。通过仿真实验验证了算法的有效性。

关键词： 永磁同步电机   最大转矩电流比控制   弱磁控制   最大转矩电压比控制   参数辨识  

摘要： 随着现代电力电子技术的发展,永磁同步电机的应用得到极大的推动。永磁同步电机因其转子结构简单,功率密度大以及效率高等优点使其在电动汽车,航空航天,机器人,舰艇船舶有着广泛的应用。从转子结构上分,永磁同步电机分为内嵌式、插入式和表贴式,内嵌式与插入式交轴和直轴电感不相等,有磁阻转矩,表贴式交轴电感和直轴电感相等,无磁阻转矩。由于磁阻转矩的存在,内嵌式与插入式永磁同步电机可以输出更高的转矩具有更高的能量密度。因此在很多伺服领域包括电动汽车上均使用内嵌式或插入时永磁同步电机。矢量控制方式是永磁同步电机控制的主流方式,对于内嵌式永磁同步电机id=0控制不能利用其磁阻转矩不能充分发挥内嵌式永磁同步电机的优势。最大转矩电流比(MTPA)控制在相同电流下输出最大的转矩,是一种高效率控制方式,实现方式是以最大转矩电流比为目标解算得到电流矢量。当电机高速运行时需要进行弱磁控制,弱磁控制又分为普通弱磁控制和深度弱磁控制,弱磁控制以输出尽可能大的转矩并结合电压及电流极限的约束来解算电流矢量。MTPA及弱磁控制可通过直接计算法来解算电流矢量,但需要准确的电机参数,而电机参数随着电机运行会发生变化。 本文所研究的永磁同步电机宽调速最优控制会采用MTPA及弱磁控制,并通过公式直接计算电流矢量。同时为了解决参数敏感的问题,对电机参数进行在线辨识,参数辨识方法较多,最小二乘参数辨识就是一种经典的辨识方法。最小二乘参数辨识有一次性算法和迭代算法,一次性算法选用指定长数据长度一次性对待辨识参数进行计算,适用于理论研究。实践中多采用迭代算法,用新信息不断更新计算待辨识参数,并且可以实现参数的实时辨识。但是随着数据长度增加会出现数据饱和,待辨识参数发生变化时仍然有旧信息起作用影响辨识精度,为了解决这个问题本文结合最小二乘一次性算法和迭代算法,始终采用有限长度数据,并采用迭代算法实时更新辨识结果也就是最小二乘限定记忆法。

关键词： 电动汽车   自抗扰控制   模糊控制   矢量控制   驱动调速系统  

摘要： 电动汽车的驱动调速系统作为电动汽车的“心脏”,决定着电动汽车的行驶速度、输出转矩等关键性能。为了提高电动汽车驱动调速系统的性能,本文将基于矢量控制的驱动调速系统作为研究对象,在对PI控制驱动调速系统进行仿真的基础上,分析了传统PI速度控制器在应用于驱动调速系统时,因存在PI参数固定而无法同时满足超调量小、抗扰动能力强的性能指标问题。针对这些问题,本文提出采用自抗扰控制器代替常规的速度环PI控制,解决超调量小、抗扰动能力弱的问题。 首先,对电动汽车驱动调速系统的转速外环使用PI控制器和自抗扰控制器进行了对较分析,可知自抗扰控制虽然解决了超调的问题,提高了系统动静态稳定性,但是其响应速度下降、控制参数不仅无法跟随系统参数变化而变化,而且参数多,不易整定,容易使调速系统陷入局部最优的缺陷。 然后,采用模糊算法对自抗扰控制参数的权值进行优化,解决驱动调速系统局部最优的缺陷,提高系统的响应速度,并对模糊算法优化自抗扰控制过程进行研究,将模糊算法优化自抗扰控制应用于电动汽车驱动调速系统的转速换控制器中。最后通过MATLAB/Simulink软件分别对电动汽车驱动调速系统在PI控制、自抗扰控制和模糊自抗扰控制方法下进行仿真验证,仿真结果表明,模糊自抗扰控制应用于电动汽车驱动调速系统时,系统无超调、响应速度加快,动静态稳定性能均有所改善,可以满足电动汽车驱动调速系统高性能的需求。 最后,基于前面的理论分析与研究,选用TMS320F28335作为主控芯片,设计了电动汽车驱动调速系统的硬件和软件。并搭建实验平台进行驱动调速实验,实验测得驱动调速系统IPM驱动信号、电压和电流信号正常且完整,能够使驱动调速系统保持稳定运行的状态,验证了本文所设计的控制方案可行性。 图[53]表[6]参[84]

关键词： 基本再生数   最优控制   传染病动力学   一致持久性   HIV  

摘要： 在历史长河中,人们一直受到各种传染病的侵扰,这些疾病无一不对人类生命健康造成危害,并给社会经济和公共卫生系统带来巨大冲击。因此,为了探究传染病的扩散规律以及影响因素,通过传染病动力学方法研究传染病传染行为,对制定防控策略提供科学依据具有重要意义。同时,在传染病动力学中,包含两个重点领域:人群中扩散的传染病传染行为研究与人体内扩散的病菌传染行为研究,由此,我将分章节依次进行讨论。 本文第二章利用传染病动力学方程的方法来研究新冠疫情的传播对结核病扩散行为的影响。在建立模型时,以公布隔离政策为时间节点来建立分段的平均传染率函数,并用周期函数傅里叶级数进行拟合,以期模拟现实中受新冠疫情影响肺结核峰值变低的特征。在理论证明部分,通过定义基本再生数,并利用比较原理和一致性持久性理论,最终建立了无疾病和疾病永久存续的充分条件。在数值拟合方面,以COVID-19爆发期间为分界点,本论文分析了社交政策转变对肺结核的影响,为传染病动力学建模提供了指导思想。 本文第三章研究了HIV患者体内病毒的空间异质性扩散行为。在建立模型时,结合了体液和细胞两种免疫机制,根据不同病程阶段的患者分别建模,并在不同水平的基本再生数下讨论其动力学性质。在理论证明方面,系统可证得具有全局渐进稳定性。为进一步探求最佳的干预控制策略,在模型基础上提出了最优控制问题,旨在减少感染细胞数量、药物副作用和治疗成本,并保护4+细胞。本文通过算子半群方法证明了系统正强解的存在性和唯一性,并推导了最优控制解的必要条件。在数值模拟部分,本文验证了理论结果,强调了早期药物干预在控制HIV传播中的重要性,这对制定有效的HIV控制策略具有重要意义。