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关键词： Gauss伪谱法   空间碎片   碰撞规避   最优控制  

摘要： 随着全球卫星发射数量的不断增长,航天活动频繁,当前的太空环境变得日益复杂,特别是大量的废弃载荷和卫星解体产生的空间碎片,占据了宝贵的太空资源,对在轨卫星的正常运行造成了严重的碰撞风险和威胁。在这种背景下,本论文针对空间碎片对在轨卫星正常运行的威胁,提出一种可行的低轨空间碎片规避最优控制策略。该策略能够在卫星接收到碎片来袭的预警信息后,评估碎片与卫星发生碰撞的概率,并采取主动合理的轨道机动来规避当前碎片的碰撞威胁。通过这种方式,可以显著降低在轨卫星与空间碎片的碰撞风险,从而提高在轨卫星的运行寿命和生存能力。本研究的主要内容如下: 针对低轨卫星与空间碎片的碰撞概率问题,从在轨卫星的轨道动力学模型出发,研究并建立了卫星和空间碎片的两体相对运行模型,基于三维Gauss分布及球形协方差矩阵的两种碰撞概率问题建模,分别提出了不同假设下的碰撞概率计算方法,并推导得出了最大碰撞概率的计算方法。 针对空间碎片规避策略问题,本文首先提出了基于拉格朗日乘子的空间碎片规避策略,该方法在前述研究的基础上,计算了卫星的在轨状态和碰撞概率,分别讨论了无约束情况和保持轨道能量不变的有约束情况下的规避策略问题,并使用拉格朗日乘子求得最优解,最后,归一化机动方向并结合机动程度,仿真验证了无约束情况和保持轨道能量不变的有约束情况下机动时间和幅度对碰撞概率的影响,得出半周期的倍数时间为非最佳机动时间的结论,为后续的规避策略研究提供了研究基础。 介绍了Gauss伪谱法的基本原理,并通过研究选取了适宜的离散点类型,基于Gauss伪谱法设计了新的碎片规避策略算法,解决了在轨卫星规避机动这一有约束非线性问题。并针对伪谱法的初始解问题,设计了遗传算法全局寻优,为伪谱法的求解进行加速和控制,提高了其收敛性能和效率。最后,将各种算法整合确定最终的规避方案,与前置研究一样对无约束情况和保持轨道能量不变的有约束情况分别做了模拟仿真,减少了碰撞的可能性。 开发了空间碎片规避策略仿真软件,对软件的模块组成和仿真场景进行了说明,将碎片规避控制策略在软件中进行了仿真,得到了可视化的三维展示和算法结果等多个图表的系统内展示,实现了创新性功能。 综上,论文从实际工程角度出发,提出了空间碎片与在轨卫星的碰撞概率计算和碎片规避策略方法,研究了在轨卫星规避策略设计问题,给出了有效的空间碎片规避策略,并建立了有效的可视化仿真软件进行了仿真应用。

关键词： 量子操控   保真度   低温CMOS脉冲发生器   中频谐波抑制混频器   无杂散动态范围  

摘要： 量子计算机采用量子比特实现计算,其在某些特定情况下有着远超传统计算机的计算能力。量子比特的状态需要通过脉冲发生器发射的门脉冲数据进行操纵,保真度用来描述量子操作的精准程度。研究证明,为获得>99.99%的保真度,脉冲发生器输出的无杂散动态范围(SFDR)需要>50d Bc。本文核心设计点在于提升低温脉冲发生器的无杂散动态范围,提出基于脉冲发生器的新型中频谐波抑制上变频器电路,实现了带内的中频偶次谐波与奇次谐波的抑制,并通过流片与实测验证了芯片性能。 本文首先介绍了量子计算机的应用前景与量子测控系统等发展现状,对国内外低温脉冲发生器的工作进行了总结。随后本文介绍了CMOS混频器的工作原理与重要指标,阐述了本振谐波抑制混频器的工作原理。最后,详细介绍了3种常温本振谐波抑制混频电路结构,在此基础上,提出了适用于低温脉冲发生器的中频谐波抑制混频电路,并以公式推导解释了该电路中各类谐波抑制的原理。 本文后续依次介绍了基于CMOS 65nm与CMOS 28nm工艺的低温上变频器设计,低温上变频器逐步确定了以电流模逻辑单元(CML)、矢量调制器(VM)、共源级放大器(CS Amp.)、中频谐波抑制混频器(IF-HRM)、共源共栅放大器(Cascode Amp.)、变压器(Transformer)等的电路结构。 最后本文展示了芯片的3种封装与常温、低温及高温测试结果。CMOS 65nm上变频器芯片低温测试结果证实,镜像抑制度可>57d B,中频三次五次谐波抑制度可>50d B;CMOS 28nm上变频器低温测试结果表明,本振抑制度全频点>50d B,镜像抑制度多频点>50d B,三次谐波抑制度多频点>40d B,五次谐波抑制度多频点>58d B,输出2GHz频带范围内无杂散动态范围(SFDR)>38d Bc,支持本振输入频带为3GHz～9GHz;PCB级的CMOS 65nm脉冲发生器低温测试结果显示,镜像抑制度绝大部分频点>50d B,中频偶次谐波全频点>50d B,中频奇次谐波全频点>56d B,除DAC引入杂波外,目标信号左侧450MHz频带内无杂散动态范围(SFDR)可>58d Bc,支出本振3GHz～8GHz的宽频域信号输入。

关键词： 四旋翼无人机   模型预测控制   路径跟踪   避障   最优控制  

摘要： 四旋翼无人机由于结构简单、容易操作等优点被广泛应用在许多领域。在农业植保、航拍测绘等任务场景下,为了保证无人机的安全和飞行任务的成功,需要提高无人机路径跟踪运动的精度,同时保证无人机能够自主躲避参考路径中的障碍物并恢复航线。本文针对四旋翼无人机在三维空间飞行的场景下,将无人机的路径跟踪与避障运动相结合,研究基于模型预测控制算法提高无人机路径跟踪运动的精度,实现无人机路径跟踪的同时自主避障并返回航线的问题。分别从建立适用于MPC的无人机系统模型、基于MPC的改进路径跟踪控制器设计、MPC双环避障控制器设计、多障碍场景下的混合避障策略设计几个方面展开研究,主要工作如下。 在系统建模和路径跟踪方面,首先针对MPC算法的技术路线和算法对系统模型的要求,建立适用于任务场景的无人机系统模型,然后对模型进行线性化和离散化处理得到状态空间模型,以便于接下来MPC控制器的设计。然后针对提高无人机路径跟踪精度的需求,设计了一种改基于MPC的改进路径跟踪控制器。通过在最优化问题中考虑输入变化率约束来避免突然的控制变化对飞行稳定性造成影响,同时考虑控制输入的上下限约束避免因输入过大而造成无人机系统不稳定或无法控制的情况。通过两者结合从而提高路径跟踪的精度。 在自主避障方面,针对使用MPC算法在控制无人机路径跟踪的过程中同时需要自主躲避障碍物并恢复航线的任务要求,通过在最优化问题中考虑躲避障碍物的非线性约束和偏离参考路径的代价函数,构建一个非线性最优化问题进行求解。同时针对非线性最优化问题求解时间较长,影响系统控制实时性的问题,提出了一种基于位置-姿态的双闭环控制结构的MPC避障控制器,通过将无人机的系统控制分解为位置控制和姿态控制两个子任务来简化计算,与未改进控制器相比,减少了控制器的求解时间,提高了系统控制的实时性。 在简化MPC运算方面,针对存在多个障碍的任务场景下,同时考虑多个障碍物约束时MPC控制器求解时间增加,影响系统控制的实时性的问题。提出了一种基于RRT*和MPC算法的混合避障,首先采用RRT*全局路径规划算法规划出一条躲避静态障碍物的全局路径作为无人机的参考路径,然后在MPC的在线优化问题中考虑动态障碍物的约束。同时提出一种基于多级触发方式的改进双环避障控制器,通过无人机和障碍物的距离变化来切换MPC算法的控制时域,从而减少了MPC解算时间,提高了系统控制的实时性。

关键词： 寨卡病毒   迁移   稳定性   最优控制   Hopf分支   分数阶  

摘要： 寨卡病毒(Zika)是一种由埃及伊蚊为主要传播的媒介传播疾病,白纹伊蚊、非洲伊蚊、黄头伊蚊等也可能传播该病毒.人类和蚊子是该病毒在传播过程中的主要携带者.本文着重考虑移民因素影响下的寨卡病毒传播,通过研究三个数学模型的动力学行为,确定有效的控制措施.具体内容如下: 模型一,首先研究了一类带有迁移的寨卡病毒模型.通过定性分析,证明了模型解的非负性与有界性,得到无病平衡点与地方病平衡点的存在性与稳定性,然后针对感染的移民,引入比例筛查策略,构建最优控制模型,确定最优控制策略,通过Pontryagin最大值原理给出最优解存在的必要条件并求得最优解.最后通过三种控制策略的增量成本效益比,确认了比例筛查移民措施的可行性. 模型二,考虑到易感者被寨卡病毒感染到首次被确诊为寨卡病毒的时间滞后,构建了一类带有时滞的寨卡病毒模型.然后分析其动力学性质,确定平衡点的存在性与稳定性,给出Hopf分支的存在性.最后,基于参数的敏感性分析建立一个最优控制模型,通过Pontryagin最大值原理给出最优解及其数值模拟. 模型三,建立了一类带有迁移的分数阶寨卡病毒传播模型.首先我们给出了三类分数阶微积分的定义与性质,其次,着重研究了解的存在性、唯一性、模型的Hyers-Ulam稳定性.最后通过比较整数阶与分数阶导数的结果,发现两种微分具有相似的动力学行为以及控制变化幅度,但整数阶可能低估了实际的感染人数. 通过模型分析,我们揭示了移民因素是寨卡病毒持续传播的主要原因之一,同时我们研究也表明,病毒爆发时期,针对移民有比例的筛查是非常有必要的措施之一.

关键词： IGBT   人工智能   BP神经网络   神经网络处理器   FPGA  

摘要： IGBT在“双碳”背景下大量应用于电动汽车、光伏、风电等领域,其芯片结温对于其可靠性与寿命分析研究起着至关重要的作用。当前基于人工智能的IGBT结温在线预测算法需要集中在高性能计算机上进行,这在功率系统中的部署面临高通信成本、高延迟、数据隐私的挑战。本文针对功率系统的在线健康监测需求,面向IGBT芯片实时结温预测进行人工智能算法加速系统设计。 本文基于饱和通态集射极电压VCE(Sat)、集电极电流Ic与基板温度Tc作为输入参数使用BP神经网络对结温模型进行建模和训练。提出了近似先验向量内积法(AVIP)以减少模型计算过程的内存访问次数与乘加次数,在典型图像分类测试上以仅仅约1.7%分类精度下降的代价换取了约42%参数内存访问次数的减少,并在结温预测实验中取得了平均2.038℃的预测精度,仅产生了 0.738℃的计算损失。基于Zynq7000平台设计了算法加速系统,包括多级并行计算架构的神经网络处理器NPU。与其他计算平台相比,算法加速系统在通用矩阵乘运算中取得了7～193倍的能效领先;在本文结温预测算法中取得了最高34.85倍的能效领先,并且能在0.917ms内完成1000次算法计算。 综上所述,本文设计的面向IGBT芯片实时结温预测人工智能算法加速系统具备通用人工智能算法加速的能力,能够以低于1ms的计算延迟完成具有1000个IGBT模块功率系统的芯片结温预测。本文的工作对于功率系统的IGBT芯片结温在线预测具有一定意义,能够助力功率系统的健康状态监测研究。

关键词： 无刷直流电机   直接转矩控制   滑模控制器   滑模观测器   复合滑模控制  

摘要： 随着航空工业与新能源产业的发展,国家大力推行“碳达峰”和“碳中和”双碳计划,全电飞机作为新能源产业背景下的新时代智能装备,其研究受到广泛关注。无刷直流电机(BLDCM)因其结构紧凑、轻便、噪音小、损耗低及效率高等优势,非常适合作为全电飞机的驱动电机。但是传统的BLDCM需要位置传感器来获取转子位置,不仅增加了制造维护成本,还极易受到运行环境因素的影响,因此无位置传感器技术的研究对BLDCM的发展具有重要意义。本文研究了BLDCM的直接转矩控制(DTC)和无位置传感器技术,来应对全电飞机对电机稳定性和体积的要求,具体内容如下: 首先,阐述了BLDCM的基本工作原理并构建了其数学模型,对BLDCM换相转矩脉动的产生原因进行了深入的原理分析。对BLDCM三种常用的控制系统(电流转速双闭环、矢量控制、直接转矩控制)分别进行对比,并给出了DTC在转矩脉动抑制方面具有良好效果的原因,为后续的BLDCM控制系统研究工作奠定了坚实的理论基础。 其次,介绍了DTC的核心思想,并探讨了其在BLDCM中的实际应用。通过深入分析BLDCM DTC的基本原理和关键模块,搭建相应的仿真模型并进行了结果分析。仿真结果表明,BLDCM DTC系统展现出优良的动静态性能。然而在转矩脉动和鲁棒性等关键性能方面,仍存在进一步优化的空间。 然后,针对DTC复杂且定子磁链计算误差较大的问题,提出了基于滑模观测器的改进直接转矩控制方法,设计了一种扩展状态自适应滑模观测器结合锁相环算法来估算转子位置信号实现无传感器技术并搭建了仿真模型,通过设计的改进滑模观测器仿真试验,验证了本章所提出的改进策略的有效性。 最后,为了解决传统PI控制在超调和转矩脉动方面的缺陷,引入滑模变结构(SMC)用于DTC系统中的转矩环,但是传统的SMC结构在抖振和趋近速度方面仍存在一定的局限性,在此基础上设计了一种基于积分滑模面和混合新型趋近率的改进SMC结构用于转矩环的跟踪给定,并与无位置传感器技术相结合进行了复合滑模仿真实验。结果表明,本文提出的改进SMC方案,无论在起动速度、动静态响应性能等方面均优于传统PI和传统SMC控制。

关键词： 边缘计算   质量控制   不平衡数据   螺栓拧紧   系统开发  

摘要： 随着人工智能和工业互联网技术在装备制造领域的深入应用,产品质量控制正经历着从传统方式向数字化、智能化的转变。本文围绕动车组牵引系统IGBT模块装配过程中螺栓拧紧的质量控制,利用生产过程中的实时数据,通过机器学习和系统可视化技术,开发了一套螺栓拧紧质量控制系统。本文的主要贡献包括: 首先,为了解决智能产线传感器产生的海量数据使用集中式云计算模式导致的时延较高问题,本文引入了边缘计算技术。在实际应用场景下,提出了一种基于边缘计算的质量控制系统架构,包含从设备感知层到工业云端层处理的全部功能需求。 其次,通过研究调查发现,当前拧紧设备多数是根据最终结果是否达到预设标准来判别螺栓拧紧状态是否合格,忽略了对过程数据的分析。本文通过对拧紧过程的扭矩和转角数据进行分析,讨论了螺栓拧紧过程曲线下的异常情况。在分析过程中,发现数据中存在噪声和不平衡数据问题。为了解决噪声问题,提出了裁剪拧紧过程前后端噪声的方法,进而提高了数据质量。为了解决数据不平衡问题,本文将SMOTE、Borderline SMOTE、随机欠采样算法分别与SVM、XGBoost、逻辑回归分类器结合,形成了9种不同策略组合算法。此外,还对3种分类器的独立效果进行了评估。通过实验对比,提出了螺栓拧紧质量监测模型,命名为SMOTE-XGBoost,解决了数据不平衡问题。为了进一步提升模型的性能,采用贝叶斯优化对XGBoost算法中的超参数进行寻优,建立基于超参数优化的SMOTE-XGBoost＿B质量监测模型。SMOTEXGBoost＿B质量监测模型能够精确识别拧紧过程中的异常状况,为提升生产质量控制的准确性提供了有效工具。 最后,通过使用Python和PyQt5库开发了IGBT产线边缘侧螺栓拧紧质量控制系统,实现了用户登录管理、异构数据集成管理、螺栓质量监测三大功能,且从系统的性能、交互、功能效果等方面进行测试,验证了系统的实用性和可靠性。 综上所述,本文的研究成果不仅提高了智能工厂装配过程中螺栓拧紧的质量控制水平,而且为制造业质量控制的数字化和智能化转型提供了重要的技术支持和实践案例。这些研究成果对于推动制造业的技术进步和产业升级具有重要的理论意义和应用价值。

关键词： IGBT   光耦隔离   栅极驱动电路   故障保护及反馈功能  

摘要： 随着新能源产业的快速发展,现代电力电子技术对高效能、高功率密度及快速可调开关器件的需求日益增强,其中,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率半导体设备的核心组成部分,在诸如变频器、电动汽车动力系统、高速铁路牵引控制以及风力发电等高压大电流应用场景中得到了广泛应用。IGBT能否稳定运作和正常运行,关键在于其驱动电路性能的优劣。国外对于IGBT及其栅极驱动芯片的研发起步较早,目前已有大量较为成熟的产品投入市场;然而,国内相关产业尚处于初级阶段,因此,研发一款性能卓越的IGBT栅极驱动芯片在当前显得尤为重要。 本文首先阐述了 IGBT器件的构造与工作机理,并明确了 IGBT栅极驱动芯片设计的关键要求,涵盖了预期性能指标、隔离设计需求以及保护设计要求等多个方面。接下来,文章详细介绍了本研究设计的栅极驱动芯片的整体框架结构,并结合光耦合器隔离传输方式完成了输入侧LED驱动芯片与输出侧光敏栅极驱动芯片的设计工作。其中,输入侧电路采用了新型TTL结构,集成了信号传输、故障反馈和外部置位功能;而输出侧电路则包含了光信号接收与处理模块、欠压锁定模块、退饱和保护模块、逻辑控制模块以及输出驱动模块等核心部分;最终完成两款芯片的版图设计,并通过仿真验证了各项功能和性能指标。 本研究分别基于40V亚微米双极型工艺与0.35μm高压BCD工艺对输入侧LED驱动芯片和输出侧光敏栅极驱动芯片进行设计,并通过高低温、工艺角以及寄生参数等仿真确保了设计的有效性。输入侧芯片使用5V电源供电,输出侧芯片采用30V电源供电,两者之间通过光耦合器实现电气隔离。仿真实验结果显示,导通传输延时为294.6ns,关断传输延时为113.6ns,欠压保护阈值设定为11.08V,恢复阈值为12.31V,退饱和阈值设定为7V,软关断延时为2.03μs,所有参数均满足预设的设计标准。经过实际流片测试,芯片成功实现了相应的功能,并基本达到了设计的各项性能指标要求。