教学课程资源库 更多>>

关键词： 柔性机械臂   模糊   最优控制   输入整形   阻尼  

摘要： 满足轻质、重载、高速、高精度的智能化机器人在先进制造领域逐渐受到广泛关注。但用于此类工况要求的机械臂一般柔性较大,在运动过程会出现较强烈的残余振动现象,对机械臂的响应精度和控制精度造成严重影响。由于柔性臂连杆的刚度低,产生的振动仅仅依靠柔性臂系统自身的阻尼并不能快速消除。因此,本文在国家自然科学基金(52075294,U22A20204)和深圳市自然科学基金(JCYJ20190812170811682,JCYJ20220530141006015)的支持下,对机器人柔性机械臂的动力学建模、振动特性及运动控制开展相关研究。首先,采用假设模态法和Lagrange动力学方程推导了柔性机械臂的动力学方程,对柔性机械臂的模态等动力学特性进行了分析,从模态截断和非线性弱化方面进行模型简化,在此基础上研究了柔性臂结构参数、物性参数及初始激励等对机械臂振动特性的影响规律。其次,分析了柔性机械臂最优控制LQR的控制原理,研究了加权矩阵Q和R对系统动力学特性的影响规律,采用模糊算法对加权矩阵Q进行优化。为提高反馈控制响应速度,降低反馈控制负担,将输入整形前馈引入反馈模糊LQR控制,研究了新型控制器的控制效果。仿真结果表明,优化后的模糊最优控制能迅速衰减机械臂末端振动,前馈与反馈结合的控制器能进一步提高机械臂末端反应速度,改善振动抑制的效果。另外,为进一步改善柔性机械臂到达稳定时间长的问题,提出一种可控阻尼和电机驱动联合的柔性臂控制方法。引进磁流变阻尼器,建立阻尼可控的柔性机械臂动力学模型。将末端的弹性变形作为输入,通过PID控制器控制输出电流,进而控制磁流变阻尼器阻尼的大小。仿真研究表明,与单独采用控制器相比,联合控制柔性臂达到稳定的时间大大减少,取得了很好的控制效果。最后,搭建了柔性机械臂的振动试验平台,并进行试验参数设置及优化,验证了柔性机械臂动力学简化模型的准确性。然后模拟搬运机械臂的运动过程,在速度和负载变化的情况下,实验验证输入整形控制器的控制性能,以及阻尼对柔性臂残余振动衰减时间的影响。实验表明,输入整形控制器可以很好地降低振动的幅值大小,增加阻尼后可大大降低机械臂到达稳定的时间。

关键词： 工业物联网   恶意程序   稳定性   最优控制   博弈论  

摘要： 工业物联网是一种将物联网技术与工业生产相结合的创新模式,通过将传感器、通信技术、云计算、大数据等技术集成在一起,实现工业设备、生产过程、产品及供应链等多个环节的智能化、自动化、互联互通和数据共享。然而,工业物联网中众多传感器、机械臂等简单设备以及不安全的通信信道诱使恶意程序在工业物联网的传播行为日渐猖獗,给众多企业带去灭顶之灾。目前工业物联网中恶意程序的相关研究一部分集中在恶意程序的入侵检测方面,另一部分集中在恶意程序的传播规律发现和传播控制策略探索方面。后者对了解工业物联网恶意程序的传播特点和行为模式,并高效遏制其在网络中传播具有非凡意义。本文主要研究工业物联网中恶意程序的传播规律建模和传播控制策略实现,以解决有效遏制工业物联网恶意程序传播的关键问题。本文研究主要分为两部分:一是考虑工业物联网中恶意程序传播特点发现工业物联网恶意程序的传播规律;二是利用补丁注入方法研究高效遏制恶意程序在工业物联网中传播的控制策略。一方面,提出了工业物联网中刻画恶意程序传播规律的传播模型。考虑工业物联网中恶意程序的点状扩散、有限传播能量、局限通信半径、工业设备迭代的特点,提出新型工业物联网恶意程序传播模型,建立了恶意程序传播的动力学微分方程。提出个体与群体博弈从微观上刻画出恶意程序与节点之间的相互作用,构建出恶意程序传播收益矩阵,并自动计算出传染率和恢复率。为了评估模型的稳定性,首先在理论上计算出模型的基本再生数并分析了模型的无病平衡点和地方性平衡点的渐进稳定性,其次从实践角度进行的16组实验对模型的稳定性以及恶意程序扩散抑或消亡的阈值展开了有效验证和深刻剖析。另一方面,提出了针对工业物联网恶意程序传播的补丁注入最优控制策略方案。甄选集中-分散混合式补丁注入策略作为网络节点的主动防御策略以应对恶意程序对自身的攻击,考虑补丁注入方式作用在恶意程序上的影响扩展了传播模型并提出了新的恶意程序-补丁复合传播模型。通过微分博弈描述恶意程序和补丁在网络中传播时产生的最优控制问题,特别引入了三个活跃度参数作为恶意程序和补丁注入的重要控制参数以利用庞特里亚金极小值原理求解出最优控制策略。最后改进深度双Q网络算法实现工业物联网中的恶意程序传播控制算法DDPV。通过与经典的深度强化学习算法深度Q网络对比实验发现,算法DDPV在未打补丁且被感染的节点的比例峰值上比之降低89.2%,在传播的时间成本上节约55%,在最大收益上提高至少6.4%。

关键词： 变频器   旋切机控制系统   共母线   尾刀整张算法  

摘要： 旋切机是把一定尺寸的原木旋切成等宽的薄木片的机械,旋切出的薄木片是制作胶合板等人造板的原材料。无卡旋切机的工作原理是由三台不同变频器控制各自电机来完成原木旋切成宽度相同的薄木片。 目前,实际生产中旋切机用电却耗能巨大。同时,全国的木材资源极其紧缺,而优质胶合板的需求却越来越大,这就需要旋切出更多的优质单板。为了提高原木的利用率,本论文进行了以下研究。 第一为了节约能源,设计了采用共母线方案的新型旋切机专用变频器系统。将传统无卡旋切机中原本互相没有联系的用来夹住原木的驱动辊和从动辊的第一台变频器,控制刀架进给速度台面的进退的第二台变频器和将旋切下的薄木片用铡刀切成宽度相同的整张单板的第三台变频器采用共母线的方式,让三台变频器共用同一个三相整流桥,接触器,上电电阻,EMC电路和制动单元。 第二为了提高木材的利用率,设计了尾刀整张单板旋切方式。实际生产中原木外层的木质较差,内层的木质更好,从而设计了尾刀整张算法。尾刀整张单板的实现主要依靠头刀把多余量切掉,但在实际生产中由于丝杠磨损、铡刀切割延迟等原因,铡刀剪切木皮时,每次整张单板的宽度都会有细小误差,导致尾刀不是整张单板。因此设计了专门的模糊PID控制系统,通过实时调整旋切木皮的厚度来使得被切割木皮的宽度得到实时调整,保证最后能到完整的尾刀整张单板。 通过软件仿真和工厂实物实验达到了预期效果。重新设计的共母线旋切机能够正常运行,生产过程中旋切机实现了整张单板的生产,达到旋切机节能运行和提高木材利用率的目标。

关键词： 同步磁阻电机   直接转矩控制   无位置传感器   滑模观测器   瞬时功率理论  

摘要： 电机作为能量转换设备被广泛的应用于船舶军舰、航空航天、电动汽车、工业生产等领域。目前我国能源紧缺问题日益严峻,电机作为工业生产领域的关键设备,其消耗的能源可占工业总能耗的50%以上,因此探讨如何降低电机的制造成本、提高电机效率,对于降低工业能耗、缓解能源危机、助力“双碳目标”有着重要意义。在此背景下,同步磁阻电机因其效率较高、转子结构简单、成本较低的优点,被视为在工业领域中替换异步电机和永磁同步电机的理想电机。同步磁阻电机的驱动方案主要有矢量控制(FOC)和直接转矩控制(DTC)两种,DTC方法关注转矩环和磁链环的反馈,控制结构简单,且鲁棒性好,与同步磁阻电机高转矩响应的特点相契合。而目前的同步磁阻电机直接转矩控制方案中,转子位置信息的获取多依赖于光电编码器等位置传感器。但在实际应用中,位置传感器的加装一方面会使电机体积变大,接线更复杂,甚至带来同心度偏移的问题,另一方面,在高温潮湿等环境下,传感器的检测精度明显下降,进而影响系统的可靠性。对此,本文以降低系统成本和提高系统可靠性为目标,针对同步磁阻电机直接转矩控制方法展开研究。首先,对同步磁阻电机运行原理进行阐述,并构建其在不同坐标系下的数学模型。在对基于定子磁链模型的无传感器直接转矩控制方案(SFM-DTC)存在的问题进行分析后,提出一种改进滑模观测器设计来实现无位置传感器控制,其中包括一种分段饱和函数的趋近律设计和一种自适应滑模增益设计;提出一种基于瞬时功率理论的磁链补偿策略,其中包括一种基于瞬时有功功率的磁链角度补偿策略和一种基于瞬时无功功率的磁链幅值补偿策略;提出一种基于小信号模型的同步磁阻电机直接转矩控制的稳定性分析方法。而后将上述理论分析进行系统集成,得到了基于改进SMO和磁链补偿策略的同步磁阻电机无传感器直接转矩控制(SMO-FC-DTC)系统。其次,为了验证所提出的无传感器直接转矩控制方案的正确性和有效性,本文在Simulink环境中构建了对应的模型,并在启动性能、抗负载扰动性能等方面,分别对传统有传感器的直接转矩控制、基于定子磁链模型的无传感器直接转矩控制(SFM-DTC)、基于改进SMO和磁链补偿策略的无传感器直接转矩控制(SMO-FC-DTC)进行了详细的仿真测试与分析。由仿真结果知,所提出的SMO-FC-DTC在各个工况下运行良好;在中高速工况下,SMO-FC-DTC相比传统有传感器的直接转矩控制系统在上升时间和稳态转速波动方面相接近,相比于SFM-DTC有效降低了稳态时的转速波动和稳态误差;在低速满载工况下,SFM-DTC无法达到给定转速且转矩脉动明显,而SMO-FC-DTC在该工况下运行良好,有效提高了系统带载能力;在抗负载扰动实验中,SMO-FC-DTC突加突卸负载后转速波动更小,与传统有传感器的直接转矩控制相接近。因此,本文所提出的基于改进SMO和磁链补偿策略的无传感器直接转矩控制系统动态性能和静态性能均较好。最后,设计了同步磁阻电机无传感器直接转矩控制系统的软硬件方案,搭建了对应的实验平台,并基于Code Composer Studio软件完成代码的编写工作。基于该实验平台,分别对传统有传感器的同步磁阻电机DTC系统、基于定子磁链模型的同步磁阻电机无传感器DTC系统、基于改进SMO和磁链补偿策略的同步磁阻电机无传感器DTC系统进行启动性能测试和抗负载扰动性能测试。对实验结果分析可知:本文提出的同步磁阻电机无传感器DTC算法在各个工况下均运行良好,同时在启动时间、稳态波动和受负载冲击后的速度波动、恢复时间等方面与有传感器DTC方法相接近,明显优于基于定子磁链模型的同步磁阻电机无传感器DTC方法,可以保证在去除位置传感器、降低系统成本的同时,保证系统总体性能良好。

关键词： Insulated gate bipolar transistors   Wires   Degradation   Resistance   Junctions   Voltage measurement   Aging   Insulated gate bipolar transistor (IGBT)   three-level neutral-point clamped (3L-NPC) converter   series short-circuit   bond wire degradation   in-situ condition monitoring  

摘要： Performing in-situ diagnosis is a crucial task during routine inspections of high-power converter systems, such as mine hoist. This paper presents an on-board offline condition assessment method for bond wire degradation of high-power IGBT modules within three-level neutral-point clamped (3L-NPC) converter. This method is based on the increment of the on-state voltage V-on during series short-circuit (SSC). The SSC is formed by the conduction of the IGBT modules to be tested and the external constant current switch (CCS). In CCS circuits, a PI-controlled gate drive circuit is employed to achieve high constant short-circuit current and maintain the stability of the V-on. The improved V-on detection circuit takes the decrement of charging time t(cp) of the capacitor as the parameter for aging assessment. It simplifies the data processing of V-on, while increasing the aging sensitivity. To validate the effectiveness of this method in practical applications, a single-phase 3L-NPC experimental platform was built to simulate the aging state of IGBTs by cutting off the bonding wires. The feasibility of the detection circuit, the influence of short-circuit current and ambient temperature on tcp, and the reliability of the CCS circuit are analyzed in detail.

关键词： 年龄等级结构   空间扩散   偏微分积分方程   适定性   不动点原理   最优控制   法锥   数值模拟  

摘要： 由于动物种群的个体往往存在等级地位差异,在种群内部面临不同的竞争环境,并且种群个体经常处在运动状态,因此本文提出了涵盖等级结构和空间分布的种群模型.它是由二阶非线性偏微分方程和积分型边界条件组成的无穷维系统.运用泛函分析、变分原理、微分积分不等式和MATLAB工具研究该模型非负解的存在性与唯一性,解的比较原理,解关于分布式控制的连续性,种群系统的两类最优控制问题(最优收获与最优初始分布).既给出理论分析和数值解法,又利用MATLAB进行了一些数值实验.本文分为三章.第一章叙述了建模背景和相关领域的研究概况.第二章和第三章是本文的核心内容.第二章主要对扩散等级结构种群模型的动力学进行了研究.第一节给出了研究的种群模型和参数的假设条件.第二节使用不动点方法证明了模型非负解的存在唯一性,并推导出比较原理和可分离解.第三节给出了一个可以用近似解逼近模型解的离散算法,确定了该算法的收敛性并利用MATLAB对种群模型进行了数值仿真.第四节初步探讨了种群的渐近行为.第三章研究了基于等级差异和空间分布的种群模型的两类最优控制问题.第一节简述当前概况.第二节考虑人对种群个体的收获因素,引出最大收益问题.利用Aubin引理和极值化序列得到了最优策略的存在性;运用切锥法锥和共轭系统推出了最优控制的特征描述;并对平衡态系统进行了数值实验.第三节研究了初始分布控制问题:选择控制策略能使终态时刻的总经济价值与控制成本之差最大化;导出了最大值原理,并运用Fatou引理、Riese引理和Ekeland变分原理证明了最优解的存在唯一性;最后用MATLAB分析了各种参数对最优策略的影响.

关键词： IGBT   Cauer模型   温度分布系数   键合线老化   参数提取  

摘要： 缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）是由双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor,BJT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）组合而成,因其具有高输入阻抗、低饱和压降和低驱动功率等优点被广泛应用于光伏发电、风力发电、电动汽车、电力牵引等领域。由于双碳目标的提出,在实际应用中人们对于设备运行功率密度要求的不断增加,使得IGBT模块需面对更加高负载的运行环境。因此,作为功率变换器的核心器件,IGBT的可靠性越来越受到研究人员的重视。研究表明,约60%的功率器件故障是由于热阻增加或额外的功率损耗诱发的结温升高导致。然而,由于IGBT模块具有多层结构且外有封装外壳保护,获取其内部结构温度是一项复杂的任务。结温波动易导致IGBT模块失效,失效形式主要分为键合线失效和焊料层失效,对于采用铝丝键合工艺的IGBT模块,键合线失效导致的模块损坏约占70%,因此对于现阶段研究人员对于失效分析更加偏重于键合线。本文以IGBT模块为研究对象,以传统Cauer模型为基础,通过理论、有限元仿真和实验分析,研究了IGBT模块在变工况以及升温过程中的结温估计方法以及对结温波动所引起的键合线老化进行分析,具体研究如下:（1）提出了利用动态热扩散边界的Cauer模型参数提取方法,首先在基板合理以适当间隙布局多个光栅光纤温度传感器,根据规律选取合理的初始等温线将其作为热扩散边界,实时追踪选定的等温线,分析其随不同工况变化的规律,以获取不同工况下的圆形导热面积的精确值。进而,根据当前工况下的导热面积在线计算精确的热阻和热容值。最后,利用实时更新的热阻和热容值修正Cauer模型,得到更精确的结温。（2）提出了基于温度分布系数的键合线脱落热量偏移规律及其位置的方法。首先,利用光栅光纤温度传感器以固定位置捕获芯片底部、中间位置以及基板边缘温度,确定健康状态下温度分布系数k。然后,利用有限元仿真分析键合线不同脱落数量以及不同位置所引起的热源偏移,探索温度分布系数k数值变化与热源偏移的规律。最后,搭建实验平台验证热源偏移与温度分布系数k的规律,并根据IGBT模块两侧温度分布系数k的数值及变化量确定具体键合线脱落位置。（3）提出了考虑温度分布系数的键合线老化等效电阻分析方法。首先,利用光栅光纤温度传感器捕获芯片底部、45°扩散角以及基板边缘测温点,以确定温度分布系数k,其数值随着焊料层老化而发生变化,但不受功率损耗的影响。然后,以温度分布系数k为基础,推出公式并根据测温点反向迭代IGBT模块Vce数值,将其拆分为受温度影响和键合线老化的两部分。最后,根据数据手册中IGBT输出特性分离二者,从而确定键合线老化导致Vce的变化量,并利用当前工况的电气参数确定键合线等效电阻变化量。

关键词： 流体与固体交互作用   强解   解的适定性问题   最优控制  

摘要： 本文首先建立了三维空间中刚体浮块在黏性流体中垂直运动的模型,进一步研究了该模型解的适定性问题,最后研究了该模型当控制施加在刚体上的一类最优控制问题.在第2章,通过哈密顿最小作用量原理得出固体与流体耦合的系统,并在该模型中,利用流体的熵变分将黏性引入系统中.第3章与第4章从守恒定律出发,校验所得到的耦合系统是否符合流体的运动规律.第5章至第7章主要考虑耦合系统解的适定性问题,其中包括耦合系统解的局部存在唯一性以及在小初值意义下系统解的全局存在唯一性.本文的第8章介绍了控制加在刚体上的一类最优控制问题,得到最优控制的存在唯一性.本文最后介绍了这篇文章尚未解决的问题.

关键词： 直流变换器   三电平   移相控制   并联均流技术   三环控制   CAN  

摘要： 低频电磁通信技术是一种对潜通信的重要技术手段,对潜通信距离、通信深度以及通信准确度是低频电磁通信中重要的发展方向,系统中作为能量供给的兆瓦级高精度大功率电源是保证这一指标的关键。本文研制的大功率电源采用多个功率模块并联实现大功率输出,各个模块均衡电流输出以平衡热应力,且当某个模块故障后可迅速自动隔离,保障整个系统的正常运行。本文使用的功率模块采用前级三相整流器和后级直流变换器构成,其中本文重点研究的直流变换器在系统中并联后直接与负载连接,是电源系统实现多模块并联均流的关键部分,变换器的零电压开关技术也是提升电源效率的关键。本文基于变换器的半桥三电平变换器拓扑结构,设计出一种稳态和动态性能较好的基于数字均流的模块并联系统。本文首先阐述了半桥三电平变换器的主电路原理,通过对开关控制策略的分析选择了移相控制的方法实现变换器的零电压开关,并对变换器工作周期内的开关模态原理进行分析后,结合实际问题讨论实现零电压开关的可行性。通过状态空间平均法对半桥三电平变换器进行小信号建模,设计变换器的主电路参数后,基于在电压电流双闭环控制策略搭建MATLAB仿真,验证了零电压开关情况及变换器双闭环控制的动态响应速度。并联电源系统中,为了使各个功率模块的输出电流得到平衡的分配,平衡各个模块的热应力提升运行可靠性,需要采用合适的均流措施,通过对模拟均流方法的分析,结合数字均流方法的特点,基于平均电流方法的数字均流方式思想,采用了在双闭环控制基础上增加均流环的三环控制方法,结合变换器的小信号模型,给出了并联系统三环控制的模型,并通过在MATLAB搭建并联系统验证双闭环和三环控制策略的性能,验证三环控制系统可以有效的实现模块间的均流,提高系统的响应速度。本文采用国产化JDSPF28335数字控制器芯片作为主控芯片,利用芯片内置的e CAN模块实现系统内模块间CAN通讯以完成系统的均流控制,并设计了相关软件程序及关键硬件电路,根据设计搭建实验平台进行均流效果验证,给出试验样机的实验波形和性能测试结果,达到了较好的均流效果。

关键词： 五相永磁同步电机   位置伺服系统   互补滑模控制   自适应互补滑模控制   滑模状态观测器   矢量控制  

摘要： 机电位置伺服系统是实现自动调炮炮塔系统的重要组成部分,决定着火炮火力打击的精确性和快速性。相比于三相永磁同步电机,多相永磁同步电机具有可靠性高、转矩密度大等优点,更能满足调炮炮塔对高可靠性的要求。本文以五相永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)为例,针对电机位置伺服系统在实际运行过程中,易受外部负载扰动、参数变化等不确定性因素的影响,通过引入自适应律和设计滑模状态观测器的方法,提出了自适应互补滑模控制(adaptive complementary sliding mode control,ACSMC)策略和基于滑模状态观测器的自适应互补滑模控制(adaptive complementary sliding mode control based on sliding mode state observer,SMSO-ACSMC)策略,以有效的提高电机位置伺服系统的位置跟踪性能、动态性能和抗扰性能。本文的主要研究内容如下:(1)简要分析五相PMSM基本结构,建立PMSM在自然坐标系下和同步旋转坐标系下的数学模型。搭建基于矢量控制的PMSM位置伺服系统,通过对位置伺服系统中不确定性因素的分析,建立含有不确定性因素的电机数学模型。(2)在滑模控制(sliding mode control,SMC)基础上,通过增设互补滑模面,设计用于PMSM位置伺服系统的互补滑模控制(complementary sliding mode control,CSMC)策略,有效提高位置跟踪精度。为进一步提高电机位置伺服系统的位置跟踪精度和高动态性能,在互补滑模切换控制中引入自适应律,等效控制中采用无积分作用,提出ACSMC策略。(3)为解决PMSM受不确定性因素影响而降低位置伺服系统的抗扰性能,基于状态观测器的思想,设计一种滑模状态观测器(sliding mode state observer,SMSO),观测位置伺服系统的不确定性扰动,并将其前馈补偿到ACSMC策略中,进而提出SMSO-ACSMC策略,确保位置伺服系统对不确定性因素的强抗扰性能。(4)搭建五相PMSM控制系统实验平台,并在此平台上完成本文所提出的ACSMC和SMSO-ACSMC策略的相关实验,且与SMC和CSMC策略进行对比分析,验证所提位置控制策略的有效性。