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关键词： 风险灵敏度成本泛函   大小型参与者结构   平均场博弈   平均场社会最优控制   分散式控制策略   控制输入受限   分散式渐近Nash均衡   分散式渐近社会最优  

摘要： 平均场博弈在工程、经济、生物等研究领域中有着广泛的应用背景,是运筹学和控制论领域的研究热点。本文综合利用随机极大值原理、Nash必然等价原理、条件大数定律等工具,并结合状态聚集的思想,研究了带有风险灵敏度成本泛函的最优控制、带有风险灵敏度成本泛函的多个大小型参与者非合作平均场博弈以及控制输入受限的大小型参与者平均场社会最优控制问题。具体内容包括以下几个方面。1.研究了一类带有二次跟踪型风险灵敏度成本泛函的最优控制问题。针对该问题,首先提出了一个新的可验证定理。该可验证性定理不需要假设容许控制律是Markov控制律。随后应用所提出的可验证性定理为系统设计了最优控制律。2.研究了一类具有多个大型参与者和小型参与者的线性系统非合作平均场博弈。每个参与者优化二次跟踪型风险灵敏度成本泛函,其中被跟踪信号是大型参与者和小型参与者状态平均的函数。为了降低求解该博弈问题的复杂度,根据Nash必然等价原理和第一部分得到的可验证性定理设计了分散式控制策略。首先,结合双层状态聚集方法和可验证性定理构造了对大小型参与者状态平均的估计所满足的不动点方程,给出了不动点的存在唯一性条件,并利用对状态平均的估计代替真实值设计了基于局部信息的分散式控制策略序列;然后证明了对大小型参与者状态平均的估计与在分散式控制策略下所得闭环系统状态平均的一致性;同时证明了所设计的控制策略序列是分散式渐近Nash均衡策略。3.研究了一类具有一个大型参与者和多个小型参与者的平均场社会最优控制问题。系统中每个参与者的容许控制集均为闭凸集,且状态方程的扩散项中同时含有状态变量和控制变量。首先通过群体决策理论中的逐个最优原理将平均场社会最优控制问题转化为非合作平均场博弈;然后结合Nash必然等价原理,随机极大值原理和条件大数定律构造了对小型参与者状态平均的估计所满足的正倒向随机微分方程;接着根据压缩映射原理证明了该正倒向随机微分方程解的存在唯一性,并利用对小型参与者状态平均的估计为系统设计了基于个体局部信息的分散式控制策略;最后,证明了对小型参与者状态平均的估计与在分散式控制策略下的系统状态平均的一致性,并证明了所设计的控制策略序列是分散式渐近社会最优策略序列。

关键词： Artificial neural network (ANN)   electrothermal stress   physical model   insulated gate bipolar transistor (IGBT)  

摘要： Due to the disparate timescale behavior in the electrical and thermal aspects, achieving a balance between simulation efficiency and accuracy in electrothermal analysis of insulated gate bipolar transistor (IGBT) modules has been a challenging task. A physical-based electrothermal stress evaluation approach combining with artificial neural network (ANN) model is proposed in this article, which significantly improves performance in circuit simulation. The training data for ANN models are derived from the Hefner physical model, a well-established model integrated in Saber. By re-expressing the Hefner model using MATLAB scripts, high-precision data can be efficiently obtained. Double-pulse experiments show that the switching transient characterized by the Hefner model have high precision, with an error within 5% compared to the experimental data. Additionally, the transient behavior of IGBT devices is further described by a two-layer feed-forward ANN, trained using datasets obtained by varying parasitic or operating parameters in the re-expressed Hefner model. Combining the physical model with the ANN models, the proposed approach can simulate not only transient electrical behavior but also long-term thermal behavior with accurate switching energy. This approach has been implemented in MATLAB/Simulink and verified with Saber for system-level circuit simulation. The electrothermal stress evaluation results show that the simulation efficiency is significantly improved (180 times faster than Saber under the simulation settings in this article), while maintaining high precision, and the error is within 2.5%. Experimental results also validate the accuracy of proposed model in predicting the voltage and current stress, with a maximum error of 1.5%.

关键词： TDC-GPX2   多路炸药起爆   STM32   时间间隔测量  

摘要： 为提高多路炸药起爆系统的威力,必须使得多路炸药起爆系统中每一路炸药同步起爆,然而无法做到真正意义上的炸药同步起爆,只能够尽量缩小每路炸药起爆的时间差值。为缩小每路炸药起爆的时间差值,就需要设计一套精密时间间隔测量系统来测量每路炸药起爆的时间差值。目前没有专门针对多路炸药起爆系统的时间间隔测量系统,且大多时间间隔测量系统的测量精度较低,测量通道少。本文针对上述问题,开展基于信号处理与时间间隔测量的方法研究,主要研究多路炸药起爆系统中对炸药起爆信号与起爆触发信号的信号处理、对16路炸药起爆信号与起爆触发信号作时间间隔测量,建立了一套专门针对多路炸药起爆系统的精密时间间隔测量系统。本文的主要研究内容包括:1)针对不同的炸药起爆信号和起爆触发信号类型设计相应的信号整形电路以提高测量精度。炸药起爆信号分为断通信号与通断信号,起爆触发信号分为脉冲信号、断通信号和通断信号,针对不同的信号设计整形电路来将炸药起爆信号和起爆触发信号处理为无干扰的脉冲信号。2)使用ASIC技术定制的专用芯片TDC-GPX2来测量16路炸药起爆信号之间的时间间隔。本文主要使用6块TDC-GPX2芯片来测量16路炸药起爆信号之间的时间间隔,通过测量16路炸药起爆信号与同一起爆触发信号之间的时间间隔来计算出16路炸药起爆信号之间的时间间隔。通过对TDC-GPX2进行软件编程,实现了在10ns至160ns的范围内优于1ns的测量精度。3)完成系统下位机与上位机部分,下位机主要采用STM32F103ZET6作为系统主控,主控外接串口屏、AT24C512、多个按键、RS232通信模块和RS485通信模块实现了用户手动选择炸药起爆信号和起爆触发信号的类型以及选择16路中的任意几路进行时间间隔测量,还实现了对测量结果进行了本地存储、显示和上传上位机等功能。上位机部分使用QT实现,上位机的主要功能为对下位机上传数据进行数据库存储、数据可视化显示等功能,其中上位机部分将通过RS232协议与下位机进行数据通信。4)依据实现的信号处理模块、时间间隔测量模块、系统下位机以及上位机进行各项测试。首先对硬件设备与系统各部分功能进行单独的功能性测试,再将时间间隔测量模块、系统上位机与下位机级联起来进行软硬件整体联调。本系统测试结果表明,对16路炸药起爆信号能够做到同步测量,测量精度优于1ns,满足实际项目要求与系统设计指标。

关键词： 竞争种群   尺度结构   稳定性   算子半群   最优收益问题  

摘要： 生物资源作为一种宝贵的可再生资源,是人类社会生存和发展的基础。建立数学模型是生物领域研究中的一种重要手段,通过对模型科学系统的研究可为生物资源的保护、开发提供科学的依据和方案。根据生态学上的研究表明,生物个体的尺度结构指标对其生存、繁衍以及竞争有着决定性的影响,实际自然环境中同一区域内的生物种群因区域内有限的资源而处于相互竞争的状态,对种群的发展起着重要的影响作用。综合考虑,本文主要考虑了两类具有尺度结构的竞争种群系统模型:(?)和(?)针对基于资源依赖性尺度结构竞争种群系统,本文第二章讨论其稳态下平衡解的稳定性。首先,考虑了竞争种群稳态模型平衡解的存在性结果;其次,利用算子理论提出了线性化处理后系统柯西问题平衡解的判别依据,并推导出特征方程,利用特征值获得了系统平衡解的稳定性条件;最后,借助数值模拟验证系统平衡解稳定条件和不稳定的条件。针对基于空间扩散和时滞的尺度结构竞争种群系统,本文第三章讨论其最优控制问题。首先,通过比较原理和Banach不动点定理证明系统的系统解存在唯一性;其次,利用Mazur定理去论证最优控制问题中最优解的存在性;最后,通过推导共轭系统并且运用切锥—法锥理论分析最优控制问题的最优性条件,调整种群的收获率来达到理想的种群分布且使收益达到最大化。

关键词： Clarke次微分   随机最优控制   终端状态约束   一阶必要条件  

摘要： 本文主要研究终端状态带约束的Mayer型非光滑随机最优控制问题的一阶必要条件.其中,控制系统为一个随机常微分方程,控制系统的漂移项和扩散项均含控制,控制区域为一般闭集.首先,运用非光滑分析和可测选取定理获得带期望的非光滑复合函数的Clarke次微分,借助倒向随机微分方程建立了无状态约束的非光滑随机最优控制问题的一阶必要条件.其次,在控制系统为线性控制系统,目标函数与约束函数均为凸函数的条件下,利用Lagrange对偶理论建立了终端状态带约束的非光滑随机最优控制问题的一阶必要条件.最后,针对控制系统是非线性控制系统,目标函数与约束函数均为一般非线性函数的情况,利用罚函数法建立了终端状态带约束的非光滑随机最优控制问题的一阶必要条件.

关键词： 混合型步进电机   参数整定   SVPWM   无位置控制  

摘要： 步进电机因其控制方式简单、成本低的特点,被广泛应用于3D打印机、数控机床、机器人等机电系统。随着市场需求的变化,传统的开环控制和细分控制技术难以满足要求,近年来步进电机矢量控制技术的研究受到了广泛的重视。相对于永磁同步电机,混合型步进电机的非线性较为明显,且磁阻转矩的影响不可忽略,常见的步进电机矢量控制系统并未考虑这一因素,同时其SVPWM算法电压利用率低,影响电机的动态性能,本文对这两个关键问题进行了研究,在此基础上,为降低系统制造成本,进一步研究了两种无位置步进电机矢量控制技术,并对二者的特性进行了比较验证。主要具体工作内容如下:首先分析了两相混合型步进电机的结构和运行原理,根据磁网络模型推导了电机绕组的电感,进而得到电机绕组的电压电流方程,通过磁共能得到电机的电磁转矩方程。同时通过坐标变换推导了同步旋转坐标系下的数学模型,并在Simulink中建立了静止坐标系和同步旋转坐标系下的电机仿真模型。其次,针对两相混合型步进电机的逆变算法,首先给出传统的双H桥基本驱动电路下的四非零矢量SVPWM算法,在此基础上考虑使用双H桥下的所有非零矢量,设计八非零矢量SVPWM算法;出于简化硬件的考虑,使用三个桥臂,给出了基于三相逆变器的两相混合型步进电机SVPWM算法。对比以上三种SVPWM算法,八非零矢量SVPWM算法电压利用率最高,因此本文步进电机的矢量控制系统采用其作为逆变算法。而后,根据细分控制原理建立静止坐标系和同步旋转坐标系下的仿真模型。基于电机的数学模型建立矢量控制模型,并参考磁阻转矩的表达式对q轴电流进行补偿,产生与磁阻转矩大小相等、方向相反的电磁转矩来抵消磁阻转矩。对比两种控制方式的仿真结果,矢量控制技术能动态调节电流大小,电机运行更加平稳,且运行过程中的位置误差与细分控制中的8细分的步距角大小相等。最后,将无位置控制引入两相混合型步进电机控制系统中,通过模型参考自适应和脉振高频注入进行电机转子位置和速度的观测,仿真结果表明,脉振高频注入法对转子位置和速度的估计值高频谐波更小,且精度更高。

关键词： 永磁同步电机   矢量控制   霍尔位置传感器   转子位置   扩展卡尔曼滤波  

摘要： 电机控制系统的正常运作需要实时获取精确的转子位置、速度信息。在实际应用中,厂家多采用安装位置传感器来实现转子信息的检测。但在使用中,霍尔位置传感器会因各类极端使用环境发生结构损坏,导致控制系统无法获取相关参数而不能正常运行,而在诸多故障类型中,尤以单相霍尔传感器故障最为常见。因此,针对上述故障问题,本文提出了一种基于低分辨率位置传感器的单相故障容错控制策略,以提高控制系统运行过程中的可靠性,论文的主要工作内容如下:第一,阐述了三相永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine,PMSM)控制策略研究现状,介绍了国内外基于低分辨率位置传感器的容错控制策略的研究进展,在分析PMSM的基础上搭建结构模型,论述了PMSM矢量控制系统的整体控制方法,并阐述了空间矢量脉宽调制算法的工作原理。第二,对三相低分辨率霍尔传感器应用于PMSM的转子估算方法进行分析比对。在传统平均加速度算法的基础上引入转速与交轴电流,提出一种新型加速度算法,一定程度上提高了传统平均加速度算法的估算精度。对不同估算算法分别搭建算法控制仿真模型,用以验证新型算法的精确性,为后文中基于霍尔传感器单相故障的PMSM容错控制策略方法提供理论基础。第三,针对中高速、急加速及急减速工况下,转子估算算法不准确的问题,引入扩展卡尔曼观测器,根据系统的输出、输入信号建立观测模型,从而对转子位置及转速利用扩展卡尔曼观测器进行实时估算。并利用可变权值参数调节器,在电机处于不同转速情况下,将新型加速度算法与扩展卡尔曼滤波器结合,提出一种新型低分辨率传感器转子位置检测算法。利用调节器实现PMSM的自适应控制,协调输出两类估算方法的估算结果,为后文容错控制策略提供转子信息高精度估算算法。第四,针对霍尔位置传感器单相故障的问题,提出了一种新型故障检测以及容错控制方法。搭建了新型容错控制系统的实验平台,采用上位机软件实时采集测试数据,通过实验验证了新型容错控制算法的控制效果优于传统算法,提高了系统的鲁棒性和准确性。

关键词： 磁场叠加   移相控制   半桥串联式谐振逆变   感应加热  

摘要： 在当前能源紧张,环境保护日益受到重视的时代大背景下,感应加热技术因为其清洁,高效,安全的优点现已经被广泛应用于各大工业现场。感应加热是以高频磁场在铁磁性材料内部形成涡流的形式来进行加热,实现了非接触、精准、局部加热等功能。其加热速度快,加热温度高,在当前工业的高强度工件的淬火、熔炼等高温、局部要求高的场合应用广泛。本论文针对工业管道的局部快速热处理技术,研究与设计了一款双线圈互补式感应加热系统,双加热线圈的高频交流电均由半桥逆变提供,为实现对加热速率及温度的控制,本文采用移相调制策略根据磁场矢量叠加原理对两个线圈中磁场相位进行调整,进而实现对空间磁场强度的间接控制,改变工件内部感应产生的涡流大小,最终实现加热温度以及温升速度的控制。 本论文参考平面多线圈加热技术,在垂直结构中设计了双线圈互补式加热系统及其驱动电源,采用半桥DC/AC逆变单元将直流母线电能转变为高频交流电,以LC串联谐振的方式既消除了加热线圈中的直流分量,同时也能使得线圈中的电流及其利用效率达到最大值,实现最大功率、最大效率的感应式加热。 针对本文所设计的半桥逆变驱动的双线圈互补式感应加热系统的工作模态及其相关等效特性进行了理论分析与计算。以电流为对象代替物理温度对象建立了闭环控制系统,通过对两线圈电流相位之间的控制实现对空间叠加磁场强度的控制,实现对加热温度的控制。控制系统的稳定性由系统闭环传递函数的阶跃响应曲线及其开闭环系统的波特图进行判定,对线圈所产生的叠加感应磁场强度以及工件中的温度进行分析,确定了双线圈互补式感应加热的可行性以及正确性。 在PSIM中搭建了整体系统的电路仿真模型,进行了系统的开环参数扫描以及闭环控制系统仿真。在Comsol中搭建了双线圈互补式感应加热系统有限元仿真模型,对其温度响应特性、磁场特性以及涡流特性进行了有限元分析。通过电路仿真以及有限元仿真结果仿真验证理论分析正确性。 最后,以ds PIC33FJ64GS606数字控制器为核心,搭建硬件实验平台,对系统进行开环扫描以及闭环实验,验证了系统的正确性以及控制系统的有效性。

关键词： 高压IGBT器件   封装绝缘   局部放电   正极性重复方波电压   典型结构与缺陷   放电辨识  

摘要： 高压大功率IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极晶体管)作为柔性直流输电与轨道交通等领域的核心器件,其封装绝缘内部的电场强度较大,易发生局部放电。在运行工况下,器件绝缘承受正极性重复方波电压,在这种电压下实现局部放电的准确测量,以及器件内部典型结构与缺陷的局部放电辨识,对高压器件的设计与制造具有重要意义。本文针对高压器件中的三种典型结构与硅凝胶中的气泡缺陷,开展了正极性方波电压下的局部放电特性与辨识方法研究,主要的研究内容包括:首先,研究了正极性重复方波电压下,测量局部放电时所受的干扰与局部放电脉冲的频谱分布,提出了不依赖辅助设备的位移电流干扰下局放脉冲的无失真提取方法,并验证了局放电流脉冲提取方法的适用范围,研制了适用于器件绝缘的方波电压下的实验平台与放电数据分析系统。其次,选取了高压IGBT器件存在的三个典型绝缘结构作为实验样本,包括芯片、硅凝胶和DBC(Direct Bonding Copper,覆铜陶瓷板)-硅凝胶界面,获得了三个典型结构的局部放电特性差异,提出了高压IGBT器件封装中典型绝缘结构的局部放电辨识方法,并验证了所提辨识方法的有效性。分析了三种典型放电结构在正极性方波电压下的放电过程,并给出了不同结构间出现放电特性差异的定性解释。最后,为了探究气泡缺陷对硅凝胶放电特性的影响,制备了含有气泡的硅凝胶实验样品,提出了有机硅凝胶内部气泡含量的量化方法,实验获得了有机硅凝胶内气泡含量对局部放电分布特性以及电流脉冲波形参数的影响规律,结合放电脉冲波形分析方法,给出了气泡对有机硅凝胶局部放电特性影响机理的定性解释。提出了提升硅凝胶脱气效果的逐层封装方法,并通过实验验证了该方法的优化脱气效果。