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关键词： 迟滞   对流   猎物-捕食者扩散模型   非凸最优控制问题  

摘要： 本文提出并分析了一类偏微分系统的非凸最优控制问题.非线性控制系统可以在种群动力学框架中解释,同时考虑生物物种发展中的扩散、滞后和迁移效应.通过为潜在的最小化成本泛函和控制系统建立的松弛型性质,证明了优化问题的近似最优解的存在性. 首先,对非凸最优控制问题的背景进行了阐述,介绍了非凸优化的重要性.将前人所做的研究进行罗列并概括本文的主要研究内容.本文所研究的系统源于一个生物模型,在物种发展中考虑了滞后和对流效应,给出了局部解和全局解的存在性.其次通过控制系统解算子的Lipschitz型连续性,证明了固定控制下解的唯一性.最后证明了松弛最优控制问题最优解的存在性,以及原问题近似最优解的存在性.

关键词： 异步电机   模型参考自适应   单神经元PID   模糊控制  

摘要： 随着经济社会的快速发展,对电动阀门的抗干扰能力、精度以及信息化提出了更高的要求。本文引入基于模糊-单神经元PID控制的模型参考自适应的无速度传感器矢量控制方法来提高系统动态响应和鲁棒性,改善系统控制精度和稳定性。 论文针对异步电机驱动的电动阀门,建立了数字控制、功率驱动单元、异步电机、齿轮传动系统、压力阀门、外部扰动和参数漂移等完整的数学仿真模型。针对无速度传感器控制系统参数敏感度高和扰动抑制差等问题,研究了模型参考自适应的系统参数辨识方法,采用单神经元PID控制器提高无速度传感器启动性能,针对电流和转速波形中的异常波动,引入了模糊控制算法对转速调节器进行了优化设计,仿真结果表明,模糊-单神经元PID控制系统可以优化超调,削减波动,而且有良好的动态性能。 采用MC56F8255设计了模型参考自适应的矢量控制硬件原理验证系统,在Code Warrior环境中编写了控制软件。试验结果符合预期,验证了控制方法的有效性和可行性。

关键词： 包虫病   动力学模型   时滞   Hopf分岔   最优控制  

摘要： 包虫病又称棘球蚴病,是由棘球绦虫引起的一类人畜共患寄生虫病.这种传染病流行于120多个国家与地区,严重危害人类的生命健康和经济发展.因此,研究包虫病的传播规律和防控措施具有重要的理论价值与现实意义.本文利用传染病动力学基本理论,研究了包虫病的传播机理和控制策略,具体内容如下:第一部分介绍了包虫病的流行规律、传播途径以及运用传染病动力学对包虫病研究的现状.第二部分构建了一类含信息干预(消息传播、宣传、教育)与流浪犬归置两种控制措施的包虫病动力学模型,研究了信息干预率为常数时,对包虫病传播的影响.通过构造Lyapunov函数的方法证明了无病平衡点和地方病平衡点的全局稳定性.最后利用数值模拟讨论了信息干预和流浪犬归置两种防治措施对包虫病传播的影响,结果表明两种措施必须同时施行才能达到控制疾病的目的.第三部分构建了一类带有双时滞的包虫病动力学模型,研究了信息干预率为函数时,对包虫病传播的影响.讨论了模型的稳定性、一致持续性以及产生Hopf分岔的条件.最后结合数值模拟,验证了信息干预在疾病控制中起到的重要作用以及时滞大小对模型稳定性的影响.第四部分构建了一类包含信息干预、家犬驱虫和流浪犬归置三种控制变量的包虫病控制模型.利用Pontryagin极大值原理给出了最优控制存在的一阶必要条件并求出了最优控制对的具体表达式.最后,利用MATLAB验证了信息干预、家犬驱虫和流浪犬归置作为最优控制的适用性及有效性.

关键词： IGBT模块   有限元仿真   可靠性   引线键合工艺  

摘要： IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)全称是绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。它兼具驱动能量小输入阻抗高的MOS和高频率BJT的双重优点。随着国内对IGBT模块需求增加,国内厂商已经在积极研究相关IGBT模块技术,填补和国外厂商的技术差距,并在低功率IGBT模块取得一定的成果,但在大功率IGBT模块的封装和芯片设计技术和国外厂商相比仍存在较大的差距。本文以大功率IGBT模块的封装技术为重点,它对模块的可靠性具有重要影响。本文基于大功率IGBT模块封装工艺技术和可靠性做了以下研究:首先从课题的需求出发,研制一款大功率IGBT模块。通过对功率模块进行结构化拆解,分析出模块封装中的关键技术,并且对模块内部的结构深入了解。结合模块结构特点,确定研究对象为键合线。通过对模块拆解得到的数据,并建立三维数字模型。将三维数字模型导入有限元软件中,在有限元软件中模拟温度循环的实验条件,以键合线的受力情况为参考标准,通过改变基板材料的属性和厚度,最终确定最优的基板材料。通过改变焊料的厚度,根据焊料所受应力大小确定最优的焊料厚度。之后对引线键合工艺参数进行优化,以键合功率和键合时间为参数研究目标,以第一键合点和第二键合点的键合强度为考核指标,通过单因素探究实验选取最优的工艺参数,然后对选取的工艺参数进行正交实验,得到两个参数与影响键合强度的关系,得到第一键合点的强度的影响因素中,键合功率的影响大于键合压力,第二键合点的强度影响因素中,键合压力的影响大于键合时间,通过探究结论推断出,键合工艺过程中两个键合点的两个工艺参数应该进行调整以提高键合线寿命,提升模块整体的寿命。对模块的整体封装过程进行研究,最后对大功率IGBT模块的设计路线在生产实践进行验证,经过TGA/DSC实验得到纳米银膏的最佳温度环境,为模块可靠性封装提供保障,提高模块可靠性。

关键词： 隔水管   钻井液下泄   外系统   反冲控制   最优控制  

摘要： 深水钻井隔水管反冲响应会给钻井平台、管体和海底井口带来危害。因此,反冲分析和主动控制研究成为了海洋工程领域的重要问题之一。近几年来,关于隔水管反冲响应分析和模拟问题,学者们已进行了深入研究。然而,隔水管反冲系统建模及其控制问题的研究结果较少。本文研究了深水钻井隔水管反冲系统的建模及其若干反冲控制方法,具体内容如下:（1）研究了隔水管反冲系统的前馈反馈最优反冲控制方法。首先,基于钻井液下泄黏滞阻力的有限级数计算模型,得到了钻井下泄液黏滞阻力的连续外系统模型。进而研究了前馈反馈最优反冲控制器的设计方法,给出了反冲控制器的存在条件。其次,结合H∞思想研究了最优保成本反冲控制器并给出控制器的存在性条件。仿真结果表明:建立的外系统模型能够刻画下泄液摩擦力的动态特性;在减小反冲位移方面,以上两种方法均优于传统的最优控制方法。（2）研究了隔水管反冲系统的前馈反馈离散最优控制方法。首先,给出了钻井液下泄黏滞阻力的离散形式指数-多项式计算模型,进而得到黏滞阻力离散外系统模型。其次,给出了含平台升沉运动和钻井液下泄影响的前馈反馈最优反冲控制器的存在条件,反冲控制器可以通过求解Riccati方程和Stein方程得到。仿真结果表明:设计的离散前馈最优反冲控制器能够显著抑制隔水管的反冲响应;Von Misses应力及弹簧伸长量分析结果验证了反冲控制器的有效性。（3）研究了基于时滞反馈的隔水管反冲系统控制方法。针对时滞在某些系统中具有正作用这一观点。通过在控制通道中引入时滞信号,给出了隔水管反冲抑制的时滞状态反馈H∞控制方法。利用Lyapunov–Krasovskii泛函方法,得到了时滞H∞反冲控制器的充分条件。仿真结果表明:通过选择合适大小的时滞,所设计的时滞H∞控制器可以进一步减小隔水管反冲响应;根据给定不同的时滞边界,得到了控制成本不同的控制器,因此有更多的控制器可选择。

关键词： 4H-SiC   IGBT   电导调制效应   导通压降   关断损耗  

摘要： 碳化硅(SiC)材料相比硅(Si)材料在禁带宽度、临界击穿电场、热导率以及电子饱和漂移速度等方面具有突出优势,因此具有电导调制效应的碳化硅绝缘栅双极型晶体管(SiC Insulated Gate Bipolar Transistor,SiC IGBT)可以实现超高阻断电压同时保持低导通电阻,在超高压功率电子领域具有重要应用潜力。本文结合传统平面型和沟槽型器件结构和工作机理,致力于改善IGBT器件导通压降和关断损耗之间的折中关系,提出了两种15kV 4H-SiC IGBT新结构,并开展了器件工作原理、阻断特性、导通特性和开关特性研究,主要内容如下:1、提出了具有增强电导调制效应的混合沟道4H-SiC IGBT(Hybrid-Channel4H-SiC IGBT,HC-IGBT)新结构。HC-IGBT器件得益于混合沟道结构提高了发射极侧的电子密度,从而增强了N-漂移区的电导调制效应;同时混合沟道为器件关断时提供了更多空穴抽取路径,显著改善了导通压降和关断损耗的折中关系,提升了器件的整体性能。HC-IGBT器件击穿电压达到了19kV,栅氧化层电场保持在3.0MV/cm以下,保证了器件的阻断特性及栅氧可靠性。与传统平面型和沟槽型结构相比,HC-IGBT的导通压降分别降低15%和4%,比导通电阻降低52%和18%,同时关断损耗也降低6%和18%。因此HC-IGBT的BFOM优值相比传统平面型和沟槽型结构分别提高63%和15%,同时IFOM优值降低21%和22%。2、提出了具有改善器件阻断特性、导通特性和关断特性之间矛盾关系的P型电位调制4H-SiC IGBT(P-type potential Modulation 4H-SiC IGBT,PM-IGBT)新结构。PM-IGBT通过P型电位调制区实现了P-shield区在正向导通时处于浮空状态,增强了N-漂移区的电导调制效应;而在阻断和关断时P-shield区处于接地状态,同时由于减小栅极面积,降低了器件Miller电容,从而降低关断损耗,进一步改善了IGBT器件在导通压降和关断损耗之间的折中关系。PM-IGBT击穿电压为20.8kV,与接地P-shield结构(GP-IGBT)相同,栅氧可靠性优于浮空P-shield结构(FP-IGBT)。PM-IGBT导通压降与FP-IGBT一致,相比GP-IGBT降低了17%,相应的比导通电阻降低了50%。PM-IGBT关断损耗相比GP-IGBT和FP-IGBT分别降低27%和77%。因此IFOM优值分别降低39%和77%,同时BFOM优值相比GP-IGBT提高97%。

关键词： 同步磁阻电机   最大转矩电流比控制   虚拟信号注入法   参数非线性变化  

摘要： 同步磁阻电机(synchronous reluctance motor,Syn RM)成本低廉、可靠性高、耐热性好、调速范围宽,具有广阔的应用前景,其效率与功率密度一般高于感应电机,但低于永磁同步电机,因此能适用于非道路车辆领域。为提升电机运行效率,本文针对同步磁阻电机最大转矩电流比(maximum torque per Ampere,MTPA)控制进行研究。受磁路饱和、温度等因素影响,同步磁阻电机参数的非线性变化十分显著。虚拟信号注入法(virtual signal injection method,VSIM)是近年来实现MTPA控制的研究热点之一,由于在控制过程中将电机参数视为常数,忽略参数非线性变化特性,VSIM在同步磁阻电机上无法实现精准MTPA控制。本文针对考虑参数非线性变化的MTPA控制策略进行研究,提出了同步磁阻电机高精度MTPA控制方法,分为参数依赖和非参数依赖两大类。基于VSIM的参数依赖MTPA控制策略依赖于电机参数计算和辨识。首先,提出虚拟双极性方波信号注入法,对现有虚拟单极性方波信号注入法进行优化。之后在虚拟双极性方波信号注入法的基础上,研究两种可以考虑电机参数非线性变化的MTPA控制方法,分别是基于同构电感转矩模型VSIM算法和电感参数扫描法,前者对转矩模型重新建模,引入同构电感参数概念,求取同构电感值后代入模型;后者对修正后的转矩模型中的电感参数进行扫描寻优,获得最优转矩模型。基于VSIM的非参数依赖MTPA控制策略没有复杂的参数计算,控制精度也不受限于模型中参数的精度。首先,量化现有虚拟单极性方波信号注入法不考虑参数变化导致的误差,经分析,误差与方波信号的幅值存在关联。因此提出了基于坐标下降法不断更新迭代注入方波信号幅值的优化方法,能够不依赖参数计算且消除误差,实现精准MTPA控制。本文所研究的四种方法均进行Simulink仿真和实验。验证结果表明,所研究的方法相比于传统VSIM具有很好的优化效果,在同步磁阻电机上能实现高性能MTPA控制,并且具有很好的暂态性能。

关键词： 表贴式盘式永磁电机   同向环形绕组   转矩密度   电感参数   矢量控制  

摘要： 近年来，盘式（轴向磁通）永磁电机因其转矩密度大、功率密度高、结构紧凑等优点得到了广泛的应用，尤其是在电动（混动）汽车、飞轮储能系统、航空航天等空间受限的领域。诸如此类的应用场合通常对驱动电机的转矩密度和运行平稳性都提出了较高的要求。同向环形绕组无槽表贴式盘式永磁（Equidirectional Toroidal Winding Slotless Surface-mounted Disc Permanent Magnet,EDTW-SSDPM）电机除了具有盘式电机的优势之外，还因其独特的绕组结构而具有比传统环形绕组无槽表贴式盘式永磁（Traditional Toroidal Winding Slotless Surface-mounted Disc Permanent Magnet,TTW-SSDPM）电机更高的转矩密度，是一种比较适合此类应用场合的驱动电机。　　为了保证EDTW-SSDPM电机的平稳运行，需要建立该电机精确的数学模型并选择优良的控制算法，其中，电机的电感参数是建立电机数学模型的重要参数之一，对于电机的控制也非常重要。为此，本文对EDTW-SSDPM电机的电感参数和数学模型进行了研究。此外，传统矢量控制和直接转矩控制系统在该电机上的适用性以及运行平稳性等也进行了相关研究。　　本文的主要研究内容包括以下几个方面:　　1）对比分析了 TTW-SSDPM电机与EDTW-SSDPM电机在绕组结构、电枢磁场、电感参数上的区别。通过有限元仿真软件的建模仿真，分析了两种SSDPM电机在电枢磁场及自感互感组成上的差异。基于单根导体周围自由空间中的磁场分布函数，采用考虑单个线圈内导体排布及单相线圈排布的镜像法，推导了 SSDPM电机的电枢磁场表达式并计算了电机的自感、互感以及dq轴电感。进一步使用有限元法对解析推导的EDTW-SSDPM电机和TTW-SSDPM电机电枢磁场、自感、互感、dq轴电感等进行了验证，证明了解析推导的正确性。　　2）分析并建立了 EDTW-SSDPM电机的数学模型。EDTW-SSDPM电机采用单定子双转子的结构，根据该电机的结构分析了该电机的电磁关系并建立了等效磁路，进一步基于dq轴坐标系分别建立了每个转子的数学模型。由于两个转子的转速、旋转方向与负载转矩一致，将两个单转子电机数学模型进行整合得到了 EDTW-SSDPM电机的双dq轴坐标系数学模型。　　3）对比研究了 EDTW-SSDPM电机在矢量控制及直接转矩控制两种控制系统下的电机性能。根据解析推导的EDTW-SSDPM电机电感参数以及建立的双dq轴坐标系数学模型，在MATLAB/Simulink环境下搭建了该电机的两种控制系统模型。对比分析了不同控制算法下的EDTW-SSDPM电机运行性能，验证了电机数学模型的正确性及控制系统的可行性。　　4）测试了 EDTW-SSDPM电机样机的电感参数以及矢量控制系统下的动静态性能。首先简单介绍了 EDTW-SSDPM电机样机的制造流程并搭建了该电机的实验平台。测试了该电机的各种电感参数，验证了电感解析计算的正确性并分析了加工误差对电机电感参数的影响;测试了该电机在矢量控制系统下的静态特性以及转速、转矩突变时的动态特性等。

关键词： 传染病动力学   适龄前儿童   基本再生数   稳定性分析   最优控制  

摘要： 据调查,幼儿园每天对入学儿童身体健康检查十分认真严格,因此疾病在幼儿园内的传播概率相对较小,但是校外教育机构对前来上课儿童的身体健康检查相对松懈敷衍,疾病在教育机构传播概率较高,所以本文根据校内外教育过程中传染病传播机制的不同,建立并研究一类带有校外教育影响的适龄前儿童传染病动力学模型及其最优控制模型,探讨校外教育对适龄前儿童传染病的影响及其最优控制策略。首先运用微分方程定性理论对该模型进行分析,用下一代矩阵方法得到了决定疾病是否爆发的阈值条件,基本再生数R。理论分析结果表明,当基本再生数R(27)1时,系统存在无病平衡点,且无病平衡点是全局渐近稳定的;当R(29)1时,系统存在疾病平衡点,且满足一定的条件时疾病平衡点是全局渐近稳定的。数值分析结果表明校外教育接触数对基本再生数R的影响较大,在疾病流行期,适当控制和监督校外教育能有效控制疾病在适龄前儿童中的传播。其次引入个人防护,对染病者实施治疗,对环境喷洒消毒剂三种控制措施,建立带有校外教育影响的最优控制模型,应用庞特里亚金极大值原理进行最优控制理论分析,得到最优控制策略,采用前后扫描方法对最优控制问题进行数值模拟。通过模拟发现三种最优控制策略均会降低染病人群与潜伏期人群的数量比例,有效地控制疾病的发展。另外,最优控制策略依赖于系统参数,即系统中参数变化也会导致最优控制策略发生变化。研究结果表明校外教育对儿童疾病传播的影响是不容忽视的。本文研究的工作为控制适龄前儿童疾病传播提供一定理论依据和经济而有效的控制策略,从而为适龄前疾病儿童家庭减轻负担,同时为社会节省医疗资源。

关键词： 传染病模型   稳定性   最优控制   脉冲系统   最大值原理  

摘要： 传染病传播过程中的隐性感染者(也称无症状感染者)通常在临床上不表现出症状和体征,需要借助免疫学筛查才能被发现,因此较容易引起传染病的大规模扩散。近几年由于COVID-19大流行中存在较高的无症状感染比例,针对含隐性感染的传染病而建立的数学模型具有很高的研究价值。本文在已有的SIAR模型基础上,额外考虑密切接触者和隔离者,并加入对易感者的疫苗接种以及对密切接触者的隔离两种控制策略,分别在连续接种与定期脉冲接种两种情形下讨论了两类传染病模型的稳定性以及对应的最优控制问题。在讨论连续接种情形下的传染病模型时,首先,本文在得出模型解的非负有界性的基础上,计算出基本再生数R0,依据Lyapunov稳定性理论证明了:当R0<1时,传染病模型存在全局渐近稳定的无病平衡点;当R0>1时,传染病模型存在全局渐近稳定的地方病平衡点。其次,本文证明了连续模型最优控制的存在性,并依据Pontryagain最大值原理得出最优控制的必要条件。最后,本文提供了平衡点的稳定性以及最优控制条件的一组数值解案例。在讨论定期脉冲接种情形下的传染病模型时,首先,本文依据脉冲比较定理证明了:当R1<1时,脉冲系统存在全局渐近稳定的无病周期解;当R2>1时,传染病具有持久性。其次,本文证明了最优脉冲控制的存在性,并依据推广形式的最大值原理得出最优脉冲控制的必要条件。最后,本文通过模型的数值解验证无病周期解的稳定性、模型的持久性以及最优脉冲控制条件。