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关键词： 列车编队运行   强化学习   最优控制  

摘要： 作为轨道交通的重要组成部分,高速铁路在现代交通体系占据至关重要的地位。随着城镇化进程的加快和人口规模的迅速扩大,轨道交通的运输压力日益增加,列车编队运行技术成为主要的解决方案之一。同时,列车的运行阻力受线路条件、风速和雨雪天气等因素影响,大部分因素无法准确预见或测量。列车的运行环境存在强风、雨雪和雷电等现象,会造成不确定扰动。这些因素影响了列车运行安全和运行效率。此外,列车车载子系统的计算资源是有限的,无法满足强化学习算法的庞大计算需求。因此,设计未知动态环境下的列车编队运行确定性强化学习控制方法,具有重要的研究意义。考虑未知动态环境下的列车编队问题,本文估计了列车运行阻力,补偿了时变干扰,设计了基于强化学习的编队控制策略,以性能指标监视器控制强化学习神经网络的开关来降低计算量,实现了多场景下的列车编队运行,其主要研究内容如下: 首先,研究了确定性强化学习下的列车运行最优控制问题。考虑了编队运行的跟踪误差和控制输入,设计了性能指标函数。基于演员-评论家强化学习框架,设计了列车编队运行的最优控制策略。额外设计了性能指标监视器,实现了神经网络在线优化和迭代学习的结合,降低了计算资源的消耗。通过与其他控制方法的仿真对比,验证了该方法的控制性能,实现了列车编队稳定运行。 其次,研究了未知动态环境下的列车运行自适应最优控制问题。设计了自适应神经网络及其更新规律,用于在线估计和补偿列车运行阻力和时变干扰。简化了神经网络结构,设计了新的神经网络控制方案,对于每个控制器采用单个神经网络和权值矩阵进行估计和更新,通过仿真验证了该方案能实现列车编队的自动运行控制。 最后,研究了列车编队重组确定性强化学习一致控制方法。针对实际运行过程中列车编队重组场景,将编队重组概括为不连续参考信号的跟踪控制问题。分析了编队间的通信关系和结构,建立了单车领导下的编队一致性跟踪误差模型。在未知动态环境下,分析了列车编队重组控制策略,设计了确定性强化学习一致控制器,解决了误差放大的问题,实现了特定场景下列车编队的灵活重组和稳定运行。设计了性能指标监视器,保证控制器的稳定和有效,通过仿真实验证明了该方法的有效性。 图31幅,表1个,参考文献85篇。

关键词： RGV   自主驾驶   矢量控制   差速控制   CAN总线   偏差耦合  

摘要： 随着经济的发展和基础设施建设的稳步推进,隧道施工项目面临着物资运输效率的新挑战,将RGV(有轨引导车辆)应用于隧道施工的物资运输已成为大势所趋。RGV适合长距离运输且载重能力强、运行速度快,可以十分便捷高效地按照计划完成物料的输送,提高劳动生产率。RGV导航技术的持续进步,为隧道内RGV车辆自动驾驶系统的研究与开发奠定了重要的技术前提。本文设计了隧道内编组RGV车辆自主驾驶系统,主要包括编组车辆在直线行驶上的控制策略以及在弯道行驶上的控制策略,分别实现了编组车辆在直行过程中的速度协同控制和弯道行驶中的差速控制,并且搭建仿真模型验证了控制方法的有效性。本文主要做了以下工作: 针对隧道内编组RGV组成结构和自主驾驶需求,对隧道内编组RGV车辆自主驾驶系统做了总体的方案设计,该方案对其中包含的导航系统、决策系统及控制系统的功能及其相互作用进行了综合性设计,确保了系统能够高效地协同作业。此外,针对车辆间通信需求,设计了基于CAN总线的通信协议。该协议旨在支持车辆间的有效信息交换,从而确保编组RGV在隧道内自动驾驶过程中控制执行的精准性。 针对隧道内编组RGV直行状态下的自主驾驶,设计了自主驾驶中的启动模式、匀速模式和减速模式,通过搭建仿真模型对不同模式下的速度跟随效果进行了仿真验证。此外,为了解决多编组车辆一致性控制问题,本文提出了一种基于偏差耦合的多电机同步控制策略,并构建了相应的多电机同步控制模型。通过对不同工况下的仿真实验进行分析,证明了该控制策略的有效性。 针对隧道内编组RGV的弯道状态下的自主驾驶,通过对编组车辆进行弯道动力学分析,提出了一种差速控制方法。该方法通过接收RGV引导系统提供的道路转向信息、弯道半径信息以及距离轨道转弯点距离等信息,控制车辆执行相应的差速指令,实现编组车辆在不同曲率半径下的弯道行驶。其次,针对后续车厢需要在同一转弯点执行差速控制需求,提出了基于位置同步的时间预测方法,针对不同进弯行驶模式做了对应的仿真和对比实验,证明了该方法的有效性。 针对隧道内编组RGV车辆自主驾驶系统的硬件载体,设计了对应的主机信息处理器和分布式车载控制器,并对其中的硬件电路和软件进行了设计。最后通过搭建实验平台进行硬件测试,验证了通讯信息的有效传输以及电机控制的有效实现。

关键词： 变频器   电气控制系统   应用  

摘要： 变频器是现代电气控制系统中的关键设备，其应用领域涵盖了工业自动化、新能源发电、智能建筑等诸多方面。变频器以其优异的调速性能、高效的节能效果和灵活的控制策略，为提高设备运行效率、优化生产过程控制、实现工业节能减排提供了有力支撑。变频器技术的发展和应用水平，已成为衡量一个国家工业自动化水平和技术创新能力的重要标志。本文首先分析了变频器的基本工作原理和控制系统设计要点，接着重点探讨了变频器在电机控制、桥式起重机、风力发电、水泵控制等典型应用中的应用现状。随着变频技术与现代控制理论、功率电子技术的深度融合，变频器必将在工业电气控制领域发挥更大作用，为产业升级和智能制造注入动力。

关键词： 电梯   永磁同步电动机   矢量控制   仿真   故障分析  

摘要： 永磁同步电动机因其结构简单紧凑、安全可靠性高、功率因素高和良好的动态控制性能越来越广泛应用到曳引驱动电梯。本文对曳引驱动电梯永磁同步电动机的驱动原理进行分析，建立基于PI调节器的双闭环电梯矢量控制仿真模型，通过模型分析电梯驱动系统常见的故障类型和原理，可以帮助检验人员发现电梯驱动系统潜在的安全隐患，探索一种电梯驱动系统故障预测方法，减少意外停机带来的不良影响。

关键词： PMSM驱动系统   逆变器IGBT故障诊断   电流传感器故障诊断   卷积神经网络   格拉姆角场   高效通道注意力机制   深度迁移学习  

摘要： 永磁同步电机(PMSM)因其效率高、响应速度快等特性,己广泛应用到智能制造、电动汽车和轨道交通等领域。但是,电机驱动系统的工作方式决定了绝缘栅双极晶体管(IGBT)需要频繁的开断,这就使得逆变器IGBT在高温下还要承受极大的电应力,增加了故障的概率。同时,电流传感器不仅用于系统的闭环控制,所采集的信号也用于IGBT故障诊断,发生故障后轻则会导致误诊断,重则甚至引发整个系统的瘫痪。因此,本文对PMSM驱动系统逆变器IGBT与电流传感器的综合故障诊断展开研究,针对诊断过程面临的不同问题,研究相应的故障诊断方法,从而提高系统的可靠性并降低其运维成本。本文主要研究内容有以下几点: (1)搭建PMSM系统仿真模型,对电机驱动系统逆变器IGBT开路故障和电流传感器失效、增益、漂移故障进行特征分析,为故障诊断提供理论基础和数据支撑。 (2)针对传统故障诊断方法依赖专家经验和人工特征提取的问题,提出了一种基于一维卷积神经网络(1D-CNN)的故障诊断方法。该方法以原始一维定子电流作为网络模型的输入,将特征提取和故障分类合二为一,简化诊断流程,实现了端到端故障诊断。同时,引入Adam梯度优化和批量归一化(BN)优化网络性能。最终,实现了较高精度的PMSM驱动系统逆变器IGBT与电流传感器综合故障诊断。 (3)针对1D-CNN模型在强噪声环境下诊断准确率降低明显的问题,提出一种GAF-ECA-Res Net的故障诊断方法。首先,通过格拉姆角场(GAF)编码技术将一维电流信号映射为二维的图像,保留完整信号特征;然后,引入残差网络(Res Net)来解决深度卷积网络性能退化的问题。同时,在Res Net中插入轻量型的高效通道注意力(ECA)机制来自适应学习全局信息,并克服模型性能与复杂度之间的矛盾;最后,以经过GAF转换后的二维图像特征作为ECA-Res Net模型的输入,完成故障诊断。实验结果表明,该方法在保证精度的基础上进一步提高了鲁棒性。 (4)针对实际应用中电机驱动系统在变工况下有效样本不足,导致卷积神经网络模型诊断精度不高的问题,提出了一种预训练加微调的深度迁移学习故障诊断方法。首先,在源域的大规模数据上对ECA-Res Net模型进行预训练;然后,利用目标域的少量样本微调模型部分参数;最后,将微调后的模型用于目标工况的故障诊断。实验结果表明,该方法能利用目标工况中的少量样本实现高诊断精度,具有较强的泛化能力。

关键词： PLC   变频器   智能制造   海洋油气装备  

摘要： 随着工业自动化和智能制造的发展，PLC和变频器在海洋油气装备智能制造中的应用变得尤为重要。本文深入分析了PLC在智能制造中的关键控制作用，探讨了变频器在能效控制和效率提升中的应用，并详细阐述了二者的协同工作机制及其优势。进一步提出了包括高级数据分析、自适应控制策略、机器学习算法、远程监控和诊断系统以及数字孪生技术在内的多项智能制造优化策略，旨在探讨PLC在海洋油气装备智能制造中的关键控制作用，以及如何通过PLC和变频器的有效协同来优化生产流程，提高生产效率和质量，为海洋油气装备制造领域的技术进步和效率提升提供了有价值的参考。

关键词： 高速飞车   牵引变流器   IGBT   Silvaco TCAD   优化  

摘要： 高速飞车作为未来电气化交通的重要组成部分,是实现交通强国战略的关键。然而,在其研发过程中,面临着诸多挑战,包括指标要求严苛以及可靠性需要大幅提升等问题。其中,牵引变流器中的IGBT性能优化尤为关键,因为它直接影响着系统稳定性和效率。本文的研究旨在深入探究牵引变流器中关键组件IGBT的结构、性能和工作原理,通过深入研究IGBT的性能优化,可以提高牵引供电系统的稳定性和能效。 本文首先系统阐述了高速飞车的运行原理,即低温超导磁悬浮技术。牵引变流器作为高速飞车牵引供电系统的核心部件,对系统的稳定性和效率至关重要。其功能包括整流模块将交流电转换为直流电、逆变模块将直流电转换为可调频率和振幅的交流电以驱动列车的牵引电机,以及辅助变流模块提供额外的功能和性能,例如电能回馈、故障保护、功率因数矫正和电压调节等。而这些功能的实现完全依赖于IGBT的特性和功能。 接着,全面介绍了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的结构、工作原理和特性分析。首先,概述了IGBT在高压大电流应用中的重要性,并介绍了其基本结构和工作原理。然后,详细讨论了IGBT的静态特性和动态特性,包括转移特性、输出特性、阻断特性、开通特性、关断特性和短路特性。最后,重点介绍了注入增强效应(IE效应)的引入,通过载流子扩散(CS)层和增大沟槽栅宽度的方式,降低了IGBT的饱和电压,解决了饱和电压与短路电流以及饱和电压与关断损耗之间的矛盾。 最后,本文重点关注牵引供电系统中的核心组件IGBT的性能优化问题。通过对高压沟槽栅IGBT进行深入分析,利用仿真工具Silvaco TCAD对其进行建模和仿真研究,特别是针对IGBT的N-漂移区掺杂浓度和CS层厚度等参数进行了优化调整,以提高其在牵引供电系统中的稳定性和效率。通过理论分析、仿真建模和结果分析,深入研究了优化后的改变漂移区掺杂浓度和引入CS层厚度的IGBT模型,得出了模型的I-V输出特性曲线、转移特性曲线、沟道电子浓度、击穿特性以及N-漂移区的发射极侧形成空穴积累。得出了优化策略,通过提升N-漂移区掺杂浓度能有效提升IGBT的击穿电压,通过引入并增加CS层厚度优化了IGBT的IE效应。 本文的创新点在于结合了高速飞车项目,针对牵引变流器中IGBT功率器件在高电压大电流的特殊应用环境,提供了一种耐压等级更强的IGBT优化方案。此外,本文采用Silvaco TCAD仿真软件,针对IGBT功率器件的IE效应的验证问题,提出了一种更为直观的验证方法。