教学课程资源库 更多>>

关键词： 自动舵   状态观测器   最优控制   自适应控制   航向控制   航迹控制  

摘要： 近些年海洋领域相关问题越来越受到重视,船舶领域的相关研究也逐渐成为了重要问题。船舶自动操舵仪设备,也即自动舵是船舶控制领域上的核心,自动舵的性能决定了船舶运动控制的性能,具有良好控制能力的自动舵能够大大提升船舶航行的经济性和安全性。自动舵的任务主要包括船舶航向控制和船舶航迹控制,完成对期望航向、航迹的跟踪。本文主要针对状态观测器、航向控制器和航迹控制器进行设计。状态观测器对位置速度信息恢复以及估计不确定性,航向控制器完成对期望航向的跟踪控制,航迹控制器完成对期望航迹的跟踪控制。具体工作内容如下: (1)针对船舶航行时的未知干扰的估计和未测量的速度信息的恢复问题进行研究。扰动来自内部模型的不确定性、未知的流体动力学以及风、浪和洋流的外部扰动。首先,设计了一种非线性扩展状态观测器,不仅可以恢复未测量的速度信息,而且可以估计干扰。通过联立使用Lyapunov不等式,证明了观测器误差动态是输入到状态稳定的。然后,设计了一种有限时间收敛非线性扩展状态观测器,能够估计未知速度和干扰,并基于齐次Lyapunov函数证明了状态观测器的误差动力学具有有限时间输入-状态稳定性。利用所提出的非线性扩展状态观测器,仅利用GPS和陀螺罗经就可以从位置-航向信息对速度和扰动信息进行恢复和估计。最后通过仿真实验证明了两种状态观测器的有效性。 (2)针对船舶航向控制问题的响应速度、稳定性和抗干扰能力进行研究。首先,给出了基于一阶Nomoto模型的线性二次型最优控制航向控制器,通过建立状态空间方程和性能指标,利用最小值原理给出系统最优控制输入。其次,为解决模型内部的不确定性以及外部的干扰,引入自适应机制,设计了模型参考自适应控制航向控制器,利用Barbalat引理得到控制输入表达式并使用Lyapunov定理证明了其稳定性和收敛性。由于一阶Nomoto模型为线性化模型,具有一定的局限性,因此基于非线性的Norrbin模型,提出了一种全局有限时间航向控制方案,利用Lyapunov定理证明了该方法是全局有限时间稳定的。最后进行了仿真实验,证明了航向控制器的有效性。 (3)针对船舶航迹控制问题的收敛速度、稳定性和抗干扰能力进行研究。针对船舶的航迹控制,为使得船舶具有良好的直线航迹保持能力,固定半径回转能力和对于其他一般曲线轨迹跟踪能力,提出了一种将船舶输出位置进行变换的航迹控制器,同时考虑了洋流影响,利用输入-输出反馈线性化得出控制律,利用数学定理证明了其稳定性。最后进行仿真实验,证明航迹控制器的有效性。

关键词： DAB变换器   电流应力   回流功率   移相控制   ISOP-DAB   合作博弈  

摘要： 为解决能源危机及应用化石能源带来的危害,许多国家大力研发分布式发电与储能等技术来实现对可再生能源的开发利用。而双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)变换器因其高功率密度和快速响应能力被广泛应用于微电网、能量路由器以及工业厂区等需要直流传输的场合。但当输入和输出电压不匹配时,采用移相控制会使变换器产生较高的电流应力与回流功率,从而影响其传输效率。在大功率的储能场景和可再生能源集成系统中通常采用多个DAB变换器模块的串并联结构,但这种模块化设计在实际中会因模块参数不同导致的运行损耗较大等问题。因此,为降低DAB变换器及其串联输入并联输出结构的运行损耗进而提升其传输效率,论文进行了如下研究: (1)分析DAB变换器移相控制特性,推导DAB变换器在单移相(Single Phase Shift,SPS)控制和双重移相(Dual Phase Shift,DPS)控制的数学模型,解析电流应力和回流功率的产生原理作为进一步提出优化策略的基础。 (2)为降低DAB变换器运行中的电流应力和回流功率,提出一种基于DPS控制的DAB变换器电流应力和回流功率协同优化控制策略。引入内外移相比系数θ确保变换器运行于内移相比小于外移相比状态,以防止其电流应力与回流功率大幅增加。采用梯度下降法寻优并建立输出电压补偿控制来提升控制策略的稳定性。搭建Matlab/Simulink仿真平台和以TMS320F28335作为控制器的实验平台。结果表明所提策略相较于DPS控制能够明显降低DAB变换器的电流应力和回流功率。 (3)为降低各模块参数相同ISOP-DAB的运行损耗,提出一种基于功率均分的混合优化控制策略。首先,分析ISOP-DAB变换器的功率传输特性,采用直接功率控制方法实现功率均分。之后结合提出的电流应力和回流功率协同优化策略,对各模块的内移相比进行优化。为验证所提策略有效性,在Matlab/Simulink中搭建由四个参数相同模块构成的ISOP-DAB变换器进行仿真,结果表明所提优化控制能够有效减少各模块的电流应力和回流功率。 (4)为提升各模块参数差异显著的ISOP-DAB变换器传输效率,提出一种基于合作博弈的传输功率优化控制策略。分析参数对各模块理想传输效率的影响,引入功率浮动量,构建以系统平均传输效率最高为目标的优化模型。应用合作博弈理论将各模块理想传输效率作为博弈收益,通过模块间不同的联盟来寻找最佳分配策略。仿真与实验结果表明,相较于常用的功率均分策略,所提优化控制策略能够有效降低部分模块的回流功率,提高系统整体的运行效率。

关键词： 连续下降运行   4D轨迹优化   最优控制   排序调度   空中交通管理  

摘要： 航空器连续下降运行（Continuous Descent Operation,CDO）是国际民航组织首荐的一种减排运行模式,但目前该技术仅在交通密度较低时以地空人工沟通的方式试用。为充分发挥CDO的减排作用,开展面向繁忙终端区连续下降运行的多航空器4D轨迹优化及其收益计算研究,是未来实施航空器基于轨迹运行的基础工作,有助于实现进场交通的完全自动化控制,对于提高空中交通运行效率和降低环境影响具有重要意义。 首先,分析下降阶段航空器运动特性,构建基于三自由度的航空器运动模型,根据飞机性能数据库搭建航空器性能模型及航空器排放模型,并提出了一种航空器下降轨迹数值求解方法,采用实际进场飞行程序分析验证模型有效性,为解决4D轨迹优化和汇聚调度轨迹规划问题提供了理论基础。 其次,以典型进场水平路径为依据,分别以最小时间、最小燃油和最小总运行成本为目标,建立垂直剖面连续下降运行多阶段最优控制模型,基于航空公司操作程序中的航空器速度剖面趋势,采用遗传算法将最优控制问题转化为非线性优化问题进行求解。实验结果表明,不同优化目标下的连续下降运行4D轨迹均能带来飞行时间、燃油消耗和CO2排放的显著减少,验证了连续下降运行4D轨迹优化算法的有效性。 最后,为解决在繁忙终端区实施连续下降运行的技术难题,设计适用于繁忙终端区的Y形进场航线结构增加进场备选路径,生成4D备选轨迹集合;以交通流进场效率最大为目标,考虑进场交通流冲突约束,构建多航空器4D轨迹MIP规划模型,运用罚函数法将复杂的有约束MIP规划问题转化为无约束问题,采用遗传算法求解。实验结果表明,与实际飞行轨迹相比,规划算法得出的轨迹简洁且适用于飞行操作与空中交通管制,所有航空器均保持连续下降运行,避免了低空平飞;通过时空轨迹分析,验证了规划轨迹与调度方案的可行性,分析表明规划的飞行轨迹能够满足安全间隔需求,保证了汇聚调度的灵活性和战略性。 研究得出了面向连续下降运行的多进场航空器协同轨迹规划方法,实现航空器汇聚优化排序的同时获得了满足冲突约束的绿色4D轨迹,有助于连续下降运行技术在繁忙终端空域的实施。

关键词： 光伏发电并网系统   组合趋近律滑模   最大功率点跟踪控制   并网逆变控制   灰狼优化算法  

摘要： 近年来,在国家战略的积极影响下,我国光伏产业飞速发展。为了改善光伏发电并网系统的光电转换效率和并网电能质量。本文针对光伏发电并网系统的最大功率点跟踪(MPPT)控制和并网逆变控制进行了深入研究,提出了基于组合趋近律滑模的最优控制方法。主要研究内容如下: 首先,论述了滑模控制技术在MPPT控制和并网逆变控制上的研究现状,提出了基于组合趋近律滑模的控制方法研究。为了建立光伏发电并网系统的数学模型,分析了光伏电池的原理特性,以光伏电池板和Boost电路建立了DC-DC电路的数学模型,推导了Boost变换器的状态空间表达式。以三相LCL型并网逆变器和其主电路建立了DC-AC电路的数学模型,推导了逆变器的状态空间表达式。 其次,介绍了滑模控制的基本理论与设计方法,分析了滑模控制的抖振问题,阐述了趋近律原理、趋近律形式以及本文所采用指数趋近律与变速趋近律优点的组合趋近律,设计了基于该方法的最大功率点跟踪控制和并网逆变控制,同时还引入了准滑动模态的控制方法,利用饱和函数来代替组合趋近律中的符号函数,从根本上减小了系统抖振。 最后,利用灰狼优化算法的迭代寻优能力,以时间乘以误差绝对值积分函数作为适应度值的计算函数,选定滑模系数作为优化对象,对所提出的控制器参数进行优化,并利用所优化的结果对MPPT控制器和并网逆变控制器进行仿真分析。通过仿真分析结果均验证了本文所设计的MPPT控制器具有良好地跟踪效果与稳态精度以及并网逆变控制器具有较好地并网电能质量与良好地抗外界干扰能力。

关键词： 谱域光学相干断层扫描   饱和伪影   长短期记忆   键合线检测  

摘要： 绝缘栅双极晶体管(IGBT)是实行功率变流技术的关键功率电子器件,被广泛用于电机驱动、可再生能源系统以及电动汽车等领域。由于IGBT的性能直接影响整个系统的运行,所以业界对其可靠性的表现极为关注。通过对IGBT可靠性的大量研究,发现键合线的失效是导致大多数IGBT模块故障的主要原因。因此,在IGBT模块的生产、使用、乃至维护阶段均需要一种能够对其键合线健康状况进行诊断的无损检测工具。谱域光学相干断层扫描技术(Spectral Domain Optical Coherence Tomography,SD-OCT)作为一种断层扫描成像技术,以其快速的数据采集速度和高分辨率的显著特性,已展现出了在实时诊断工业产品方面的巨大潜力。 本文结合键合线检测需求,提出使用谱域光学相干断层扫描技术开展IGBT键合线的检测研究工作。论文的主要研究内容和工作如下: 1、谱域光学相干断层扫描成像系统的搭建。为了实现对键合线的缺陷检测,本文以谱域光学相干断层扫描理论为基础,选型合适的系统组件,以干涉仪、光源、光谱仪的顺序搭建整个谱域光学相干断层扫描系统。系统的轴向分辨率为8μm,成像深度为1.47mm,可横向覆盖100mm的范围。在数据处理方面,本文首先进行了波长标定、去直流、重采样的操作;随后进行傅里叶变换解耦深度信息,最终得到键合线谱域光学相干断层扫描横截面图像。 2、谱域光学相干断层扫描图像中饱和伪影的去除。由于键合线金属材质的高反射率可能导致成像过程中其反射信号强度超过了光谱仪中感光阵列的探测动态范围,发生信号饱和。在OCT断层图像中,饱和的干涉光谱会产生饱和伪影从而降低图像质量。本文利用光谱信号数据的时间序列性质,提出使用长短期记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)模型学习光谱信号之间的变化关系,以正常信号修复饱和信号,进而实现谱域光学相干断层扫描图像中饱和伪影的去除。最后本文进行了LSTM模型与K-近邻算法在饱和伪影去除上的效果对比分析,LSTM模型不仅去除图像中饱和伪影的效果显著,并且和K-最近邻误差相比其平均绝对误差只有0.4437%。 3、IGBT键合线的缺陷检测。本文利用测量过程中因谱域光学相干断层扫描傅里叶变换的埃尔米特效应导致成像深度减半而发生翻转的键合线特征,结合目标检测神经网络,计算不同键合线特征的实际深度位置,在解析层面“打破”成像系统限制,实现了键合线的全范围测量。针对键合线特征识别,本文评估了三种目标检测神经网络模型在本地数据中的性能,YOLOv3以95.27%的平均精确率,66.7的帧速率表现最好。最后测量结果显示:整套键合线中有两条键合线的最大高度分别降低了约376μm和531μm,横向方向分别发生了约49μm和200μm的形变。这表明谱域光学相干断层扫描具有潜力成为实时检测IGBT键合线健康状况的诊断工具,并为后续研究工作状态下的键合线动态成像奠定基础。

关键词： 高速永磁电机   复矢量解耦   矢量控制   参数在线辨识   谐波抑制  

摘要： 高速永磁同步电机具有体积小、重量轻、效率和功率因数高、调速范围宽、动态响应快等显著优势,在军事重工、航空航天、能源安全和节能减排等领域具有良好而广泛的应用前景。本文针对高速永磁同步电机在低载波比下控制系统中存在电流环交直轴电流耦合严重与定子电流含有大量谐波导致系统性能变差的问题,对高速永磁电机交直轴电流耦合项、不同载波比与死区时间对电流谐波含量影响、交直轴电流解耦控制策略与电流谐波抑制方法开展研究。 首先,对不同载波比(电机转速保持不变)下高速永磁电机定子电流谐波含量变化进行分析,合理选取逆变器开关频率。在此基础上,对高速永磁电机在低载波比下的解耦控制策略和电流谐波抑制方法进行研究。 其次,针对高速永磁电机交直轴电流耦合严重的问题,分析造成电流环耦合的耦合项,采用复矢量解耦控制方法实现电流环的完全解耦。针对高速永磁电机系统电感参数变化敏感的问题,对复矢量解耦控制方法进行改进,减小了电感参数变化对解耦控制效果的影响,增强了解耦控制方法的鲁棒性。在此基础上,进一步研究高速永磁电机电阻、电感与磁链参数因环境、工况等因素影响而发生变化的问题,采用模型参考自适应控制算法,实现高速永磁电机参数在线辨识。仿真结果表明,所采用的控制方法可以实现交直轴电流的完全解耦,并能够精确识别电机的电阻、电感和磁链参数。 最后,对高速永磁电机定子电流的各次电流谐波进行分析,以抑制其中幅值较大、含量较高的5次和7次电流谐波为研究目标,采用基于谐波电压注入的谐波抑制方法,将定子电流变换到5、7次谐波同步旋转坐标系下,通过低通滤波器实时提取出5、7次谐波电流信号,并推导谐波电压稳态方程计算出5、7次谐波电压,将谐波电压注入到高速永磁电机控制系统的电压反馈环节,实现对5、7次谐波的抑制。仿真结果表明,采用的谐波抑制方法可有效抑制5、7次电流谐波,对比分析谐波抑制前后交直轴电流波形,电流环解耦效果得到了进一步改善。