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关键词： 矢量控制   动态解耦   滑模控制   全阶磁链观测器   转速辨识  

摘要： 感应电机凭借结构简单、坚固耐用、成本价格低等独有优势被广泛应用在国民生产的各个领域。由于矢量控制策略在稳态精度、动态性能方面出色的表现,目前已经成为感应电机调速系统的主流控制方式。而电机转速作为调速系统实现高动态性能的关键,通常最直接的方式是利用安装位置传感器获取电机转速信息,但是这会带来系统体积增加、可靠性降低、应用场合受限等问题,这就推动了感应电机无位置传感器控制技术的迅速发展。本文以提高感应电机无位置传感器矢量控制系统性能为目标,从矢量控制的动态解耦和转速辨识两个部分进行研究与改进。本文首先建立感应电机数学模型,阐述感应电机转子磁场定向矢量控制的基本原理,分析转子磁链观测和磁场定向的关键技术,并搭建感应电机双闭环矢量控制仿真模型进行有效性验证。其次,为了实现感应电机矢量控制的动态解耦,本文引入反馈线性化控制理论,通过重新定义状态量,利用坐标变化实现感应电机电磁转矩和转子磁链的动态解耦,考虑到电机参数变化和测量误差对反馈线性化的影响,加入模型误差补偿控制。同时为了进一步提高控制系统的动态性能和抗扰性能,分别为转子磁链和电机转速设计滑模控制器,并通过仿真验证算法可行性。然后,为了解决基于全阶磁链观测器进行转速辨识的调速系统存在低速发电运行不稳定问题,本文建立全阶磁链观测器数学模型,根据Lyapunov稳定理论推导出转速自适应律,分析了基于传统转速自适应律进行转速辨识系统在低速发电运行不稳定原因,并给出反馈矩阵选取的约束范围。在保证系统低速发电运行能够稳定的同时,设计合适的反馈增益矩阵提高估计转子磁链对电机参数变化的鲁棒性,并针对改进反馈矩阵进行系统稳定性和参数敏感性验证。最后,通过搭建的感应电机实验平台对各个算法进行实验对比验证,结果表明改进算法的有效性。

关键词： 可修复系统   预警功能   C0半群理论   最优控制   可靠性  

摘要： 预警功能是指在系统或部件出现故障前,能够对其进行提前预警,并及时发出报警信号,从而有足够的时间对即将发生的各类灾害进行预判,降低灾害给人类造成的经济损失.可修复系统是一类系统,当构成系统的部件发生了故障或出现了劣质的时候,可以用不同的修理方法来让这些部件继续工作,它包括了系统的部件和一个或多个修理设备（或修理工）,将系统的状态分为运行状态和维修状态.具有预警功能的抽油机井采油系统能够根据预警信号,精准地发现油井生产异常情况并进行超前管控,或继续生产或进行维修,属可靠性数学中可修复系统的范畴,因此可以利用数学建模的方法研究此类系统的适定性、可控性、可靠性等重要特性.可修复预警系统的研究具有重要的理论和现实意义.因此本文分别从以下6个章节进行研究,主要内容是:第1章绪论,重点阐述了系统可靠性的研究历史及意义、具有预警功能可修复系统的研究现状及分析、本文的研究内容和方法、以及研究本文所涉及的一些概念、定理与性质等.第2章在可修复抽油机井采油系统中引入预警功能,利用补充变量与随机过程理论的方法,建立了可修复油井系统的数学模型,通过泛函分析将系统模型转化为Banach空间上的抽象Cauchy问题.第3章主要运用强连续算子半群理论和Volterra积分方程理论,分别讨论了系统算子半群特征、系统非负解的存在唯一性和系统解的适定性.第4章主要讨论修复率μi（x）(i=1,2)为维修时间x的函数,μ（x）=(μ1（x）,μ2（x）)为控制元,系统稳态解在有限时刻T到达预期稳态数值P*（x）∈R3×（L1[0,+∞）)2的最优控制问题.第5章主要在假设故障率、修复率和敏感度系数均为常数的前提下,得到了系统的瞬态可靠度和稳态可靠度,并证明了系统具有可靠性.利用Matlab数学软件得到了系统模型的数值解,并给出了相应的数值模拟图形,从而验证了可靠性理论的正确性.第6章是全文总结与研究展望.

关键词： IGBT驱动   隔离   变压器   保护功能  

摘要： 由于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)兼具了输入阻抗高、导通压降低等特点,自发明以来就得到了广泛的应用。在近几年随着新能源产业的迅速发展中,IGBT起到了关键的作用。而随着光伏发电,高铁电网,尤其是新能源车的发展,对IGBT的需求将进一步增大。IGBT工作时的可靠性强烈依赖于驱动电路的可靠性,驱动电路的性能直接影响着IGBT的工作效率与安全。目前,国外有许多的IGBT隔离驱动芯片,而国内的发展远不及国外,许多厂家也只是在起步阶段,因此,研究隔离式IGBT驱动芯片在当下具有重要的意义。本文首先介绍了IGBT的结构与开关特性,在分析了IGBT的安全工作区的基础上,研究了隔离式IGBT驱动电路的几种保护类型,最终本文的设计中采用了欠压锁定电路、有源密勒钳位电路和退饱和检测电路。本文还介绍了几种常见的隔离方式,以及磁隔离的信号调制方式,同时根据IGBT的工作特性,基于微型变压器,使用了一种改进的置位复位调制方式,增加了传统置位复位方式的可靠性。本文基于华润上华0.5μm BCD工艺和已有的微型变压器模型,设计了一款隔离式IGBT驱动电路,并通过仿真和流片验证。芯片输入侧与输出侧电源电压分别为5V与15V,两片之间通过微型变压器隔离。在仿真阶段,得到的上升沿下降沿传输延时分别为145.5ns和131.2ns,在负载1n F时的上升下降时间分别为9.4ns和8.3ns,输入侧典型欠压阈值为3.8V/4.1V,输出侧典型欠压阈值为11V/12V,有源密勒钳位的开启阈值为2V,退饱和检测的阈值为9V。经过流片测试,基本达到了仿真的指标。

关键词： 多智能体系统   在线强化学习   最优控制   安全   输入受限  

摘要： 本文主要研究带有输入受限的多智能体系统的同步最优控制问题以及安全最优控制问题.首先基于微分图博弈理论,为每个智能体定义了一个带有非二次型能量函数的性能指标,该性能指标依赖于智能体自身及其邻居的信息.利用黏性消失法修正值函数,使方程得到一个光滑的解.然后在一些合理的假设下,对多智能体系统的同步最优控制问题以及安全最优控制问题分别提出同步最优控制策略和安全最优控制策略.具体地,第三章利用在线Actor-Critic(A-C)算法研究了带有输入受限的领导者-追随者多智能体系统的同步最优控制和干扰抑制问题.与现有的关于同步最优控制问题的工作不同,本章详细说明了输入受限将导致值函数不满足常见的光滑性假设.并由此引入了黏性消失法来修正值函数,使修正的Hamilton–Jacobi-Isaacs(HJI)方程存在唯一的光滑解,进而放宽光滑性假设.基于修正的HJI方程,开发了一种改进的A-C神经网络算法,以找到光滑的近似最优控制策略.最后,通过仿真实验验证所提同步最优控制算法的有效性.在第四章中设计了一个安全优化控制器,以保证多智能体系统在避免碰撞的同时保持通信连接,并使得预设的性能指标最小化.与现有的处理安全优化问题的二次规划方法不同,本章引入了一类新的类Lyapunov障碍函数,并将其作为惩罚项整合到性能指标中以保证安全,则有约束的最优控制问题转化为无约束的安全优化问题.利用黏性消失法修正值函数,以消除输入受限对修正的Hamilton–Jacobi-Bellman(HJB)方程的解造成的非光滑影响.通过开发一种改进的A-C神经网络算法,找到光滑的近似安全优化的控制策略.仿真结果验证了所设计的方法的有效性.

关键词： 固态断路器   碳化硅MOS管   IGBT   新能源汽车   反激电源   单片机  

摘要： 随着近些年全球能源危机的爆发,新能源行业的发展越来越受到重视,在这样的大背景下,新能源汽车行业的发展如日中天。在新能源汽车发展的过程中,安全问题是最受重视的问题之一,因为以高压电池为动力源的新能源汽车,回路当中的电流电压值很高,在发生故障时容易引起器件损坏和线路烧毁,从而引起爆炸起火等事故的发生,其中断路器作为控制整个汽车回路的总开关,在这种情况下它的保护作用就显得尤为重要。目前汽车上使用的断路器多为机械式的熔断器,比起传统的机械断路器,由电力电子器件构成的固态断路器具有关断速度快、使用寿命长等优点,可以为新能源汽车提供更好的安全性和可靠性。本文首先介绍了新能源汽车直流断路器的研究背景与国内外的研究现状,讲述了直流断路器的发展历史和演变趋势。紧接着介绍了本次设计的总体方案,是以全固态式断路器配合智能模块组成的智能固态断路器,然后介绍了方案的主电路设计,作者选取了IGBT开关管与碳化硅MOS管两种开关器件作为主开关的器件,搭建了主开关电路,并进行了相应的器件选取与开关仿真,同时选定了开关器件的驱动方案。对于直流固态断路器可能出现的过流、过压、短路、过温等故障进行分析,并提出相对应的解决办法来进行保护电路的设计,并且通过仿真来证明保护电路设计的有效性。最后对固态断路器辅助模块的电路进行原理分析,包括单片机控制模块、电流电压采集模块、数据存储与通信模块以及电源模块,同时也讲解了软件部分的工作流程。基于以上总体方案的介绍,作者分别以IGBT与碳化硅MOS管为主开关搭建了新能源汽车直流固态断路器的实验样机,模拟新能源汽车的运行工况,针对上述提到的故障进行实际的检验,成功的在400V/170A的条件下进行了安全关断,并且关断时间保持在了10us以内,完成了样机初步的安全运行。

关键词： 智能网联无车道划分高速公路   元胞传输模型   内边界控制   匝道控制   通行能力陡降   上游流量抑制   二次规划  

摘要： 作为人驾驶环境交通规则的重要组成部分,车道划分与设置无疑有益于交通安全,但也带来负面影响,如降低道路横向空间资源的利用率。在高等级网联自动驾驶环境下行车安全可以得到保证,因此可以考虑采用智能网联无车道交通模式,不仅能消除车道划分的负面影响,还能充分发挥智能网联的技术优势,催生一种全新交通控制形式,内边界控制。在传统人驾驶模式下道路总空间资源一般在对向交通流之间等分或定分,无法灵活应对道路资源与交通需求的失配。在智能网联无车道模式下,道路双向交通流之间的硬隔离可以“软化”。通过高精度调控内边界,可以调度全部双向道路资源,实现各向交通需求和道路通行能力的最佳匹配,优化交通效率。本文聚焦智能网联无车道划分高速公路场景,研究内边界控制模型与策略,探索内边界控制的优势和局限,及其与传统高速公路控制方式的关联,并研究内边界与入口匝道的协同控制。本文主要研究内容和成果如下:(1)智能网联无车道交通流模型构建:既有宏观交通流模型都是针对传统有车道模式的,无法表征智能网联无车道模式下的内边界动态特性。本文首先构建了高速公路内边界动态模型,表征基于内边界位置系数的通行能力、临界密度、阻塞密度等关键参数的动态特性。其次,将内边界动态模型和具有通行能力陡降复现能力的一阶宏观交通流模型CTM相结合,建立适于智能网联无车道划分高速公路管控研究的可变内边界宏观交通流模型。仿真研究表明,该模型能够较好复现通行能力陡降,并能通过内边界动态设置使交通流按相应内边界传播。(2)内边界最优控制模型与控制策略设计:基于上述宏观交通流模型,以路网整体效率最优为目标,综合考虑控制稳定性、用户权利均衡等因素,构建智能网联无车道划分高速公路内边界最优控制模型。考虑计算效率,将非线性约束线性松弛,并通过强化目标函数消除线性松弛带来的上游流量抑制问题。仿真研究表明,内边界控制能很好应对对向交通流需求失衡导致的拥堵问题。(3)内边界和入口匝道协同控制模型与控制策略设计:当双向交通需求总和超过道路总通行能力时,单纯的内边界控制无法避免交通拥堵,因此需要引入额外的控制手段。本论文探索内边界和入口匝道协同控制的可行性及相关控制模型构建与控制策略设计。仿真研究表明,针对给定的不失一般性的高速公路场景,内边界控制能充分利用道路空间资源应对各向交通需求,使得路网总行程时间TTS下降41.8%,但无法避免高峰期入匝瓶颈发生通行能力陡降;匝道控制能保证入匝汇流区规避通行能力陡降,使得TTS下降16.1%,但无法处理各向通行能力与交通需求的失配;而内边界与匝道协同控制兼具二者优势,使得TTS下降43.5%,还能够在匝道空间有限的情况下实现对向匝道排队空间的共享。

关键词： 神经群模型   UKF   大脑动力学调制   最优控制   细菌觅食优化算法  

摘要： 大脑在不同的时间和空间尺度上表现出复杂的动力学特性,这些动力学特性与特定频带的神经振荡活动相关,也与大脑功能状态以及多种脑疾病的病理状态相关。研究表明,认知、行为和感知等大脑功能源于大脑皮层系统中的集体神经振荡,集体的非线性动力学是皮层神经振荡的核心,而异常的动力学过程会引起诸多脑疾病。因此,有效控制脑动力学的能力对于增强人类的认知功能和改善他们的生活质量有着巨大的希望。本文基于神经群模型对大脑动力学的辨识和控制进行研究,主要研究内容如下。(1)针对一类具有未知突变参数且输出受到未知测量噪声干扰的神经群模型,构建基于带约束的强跟踪自适应UKF辨识方案以实现未知突变参数的辨识。该方案通过引入了渐变因子和遗忘因子增强算法的跟踪能力,并通过引入次优Sage-Husa估计器实时估计并修正测量噪声矩阵。此外,该方案还采用序贯处理法通过两次观测和约束的更新阶段来吸纳约束和观测,使待辨识参数的取值保持在生理含义允许的范围之内。仿真验证所构建的带约束强跟踪自适应UKF在参数估计方面的有效性。(2)针对具有异常动力学的神经群模型,研究了大脑动力学调制问题。结合带约束的强跟踪自适应UKF、局部线性化方法和最优控制理论设计了一个最优控制方案对异常动力学进行调节并使其跟踪一个期望的输出,同时优化反应控制误差和控制能量的性能指标。仿真验证所设计的最优控制方案对神经群模型异常动力学调节的有效性。(3)针对传统最优控制器获得解析解的过程中需要先对模型进行局部线性化,且自身需要大量矩阵运算,整体运算较大的问题,设计基于细菌觅食优化算法的最优控制器对神经群模型的异常动力学进行调节,使模型输出跟踪一个期望的输出。通过与传统的最优控制器比较以及仿真验证所设计的最优控制器对神经群模型异常动力学调节的有效性。以上的研究涉及到控制理论和神经科学的交叉。所采用的算法在控制理论中较为传统,但其与神经科学的融合为大脑动力学的调节提供新思路,有望为增强人类的认知以及提高脑疾病的预防和治疗水平提供科学支撑。

关键词： 主动控制   随机振动   参数优化   拓扑优化   灵敏度分析   显式最优控制  

摘要： 地震、台风等自然灾害会严重破坏建筑结构和桥梁结构等工程结构,带来巨大经济损失,危害人类生命安全。主动控制技术通过主动控制装置施加补偿力抑制结构振动,能够有效保障结构安全。控制系统的控制性能发挥依赖于控制装置的参数设计以及合理布局。考虑到环境激励具有明显的随机特性,因此有必要开展随机激励下主动控制装置参数与布局优化方法研究。传统的主动控制装置参数与布局优化方法一般依托于经典最优控制理论,受限于Riccati方程的数值求解,无法解析获取关于设计参数的灵敏度信息,一般需要采用非梯度优化算法,效率较低。此外,当考虑随机激励问题时,仅能考虑高斯白噪声激励,难以直接应用于强风、地震等非白噪声随机激励下的最优控制问题。近年来,一类结构显式最优控制方法快速发展起来,该类方法能够应用于一般非白噪声激励问题,并且能够解析获得受控响应的统计矩及其灵敏度信息。有鉴于此,本文将在结构显式最优控制方法的基础上,系统开展一般随机激励下主动控制装置参数与布局优化方法研究。本文的主要工作包括:(1)针对最优控制问题及控制装置布局优化问题开展了文献综述。简要介绍了结构控制研究的发展历程,重点阐述了确定性最优控制方法和随机最优控制方法的研究现状,分析了几种控制方法的优点及不足;详细介绍了控制装置布局优化的研究现状,总结了现有方法的不足。(2)建立了含有控制律权参数和控制装置位置参数的结构显式最优控制律。通过引入结构响应显式表达式,将以运动微分方程为约束条件的最优控制优化问题转化为无约束优化问题,获得以控制律权参数和控制装置位置参数解析表达的最优控制律;此外,借助结构响应显式表达式的降维优势,实现了针对关键响应的降维最优控制。(3)系统开展了确定性激励下主动控制装置参数与布局优化方法研究。在结构显式最优控制律和结构响应显式表达式的基础上,推导获得了控制力和受控响应关于控制律权参数和控制装置位置参数的灵敏度闭合公式;结合梯度优化算法,实现了确定性激励下控制律权参数优化及控制装置布局拓扑优化。(4)系统开展了随机激励下主动控制装置参数与布局优化方法研究。在结构显式最优控制律和结构响应显式表达式的基础上,考虑荷载的随机性以及量测噪声和控制噪声的影响,推导获得了控制力和受控响应统计矩及其灵敏度的显式表达式,以及结构动力可靠度及其灵敏度表达式;结合梯度优化算法,实现了随机激励下基于结构统计矩或动力可靠度的控制律权参数优化及控制装置布局拓扑优化。数值算例结果表明,所提出的结构显式最优控制律权参数优化及装置布局拓扑优化方法能够考虑一般非白噪声随机激励的影响,并且可以获得受控结构随机振动灵敏度的解析表达,从而可以高效获得控制律权参数及控制装置布局的优化结果,有效提升了结构主动控制系统的控制效果。

关键词： 变刚度驱动器   变刚度控制   共振   最优控制   模型预测控制  

摘要： 变刚度驱动器是近几十年来出现的一种高效、安全、稳健的驱动技术。通过在驱动系统中引入可变刚度弹性体,可以按需调节电机和负载之间的机械能、电能转换,从而提高驱动器的性能,如峰值功率降低、节能等。目前,变刚度驱动技术在设计执行机构和刚度调节伺服控制方面取得了丰硕的研究成果,已广泛应用于工业机器人、外骨骼、假肢等。然而,如何优化控制变刚度驱动器的刚度以获得更好的驱动器性能,仍然具有挑战性。尤其是对于要求刚度优化时效性强的应用场景,比如外骨骼等,梯度下降法等收敛速度较慢的优化方法就不再适用。此外,目前大多数刚度优化方法与控制方法互为独立系统,未考虑刚度改变对控制系统的影响,主、副电机之间未能进行协调控制,降低了变刚度驱动器的输出性能,限制了其应用范围。因此,针对上述问题,本文针对变刚度驱动器刚度优化收敛速度慢,优化与控制不协调等不足,基于物理共振设计了一种快速收敛的多优化目标控制系统,并进行了理论推导与实验验证。研究内容包括以下几点:(1)变刚度驱动器驱动理论分析。建立变刚度驱动器数学模型,通过建立变刚度驱动器输出-刚度数学关系,分析变刚度驱动器的输出特性,分析变刚度驱动器的开环/闭环动力学响应特性,得到了变刚度驱动器的输出响应特性:刚度越大,变刚度驱动器响应越快,跟踪误差越小。为变刚度驱动器的刚度优化控制策略与角度跟踪控制策略提供理论依据。(2)基于共振法的模型预测控制系统设计。基于共振法与模型预测控制设计出优化与控制一体的多优化目标控制系统。分析在处于共振刚度的变刚度驱动器优劣势,分析变刚度驱动器的节能影响因素。证明了处于共振刚度的驱动器能够大幅实现节能,并给出了理论共振刚度计算方法以及最优刚度优化的证明。(3)控制系统特性分析。证明基于共振法的模型预测控制器的稳定性,对比并分析基于共振法的模型预测控制器与通用算法的刚度优化的收敛速度,以及在干扰情况下的收敛鲁棒性。分析变刚度驱动器的相比与传统驱动方式的优势,分析在不同优化目标下控制算法的控制性能。相较于梯度下降法,提出的优化方法收敛速度更快、在干扰情况下的收敛性更好,并且能够综合考虑刚度变化对变刚度驱动器的输出影响,通过调节权重系数即可实现在不同应用场景中/不同优化目标中实现良好应用。(4)样机制作以及实验验证。搭建样机的机械结构、硬件结构、软件结构。实验验证变刚度驱动器的输出响应特性。实验验证基于共振法的模型预测控制算法能够在实现多场景中实现应用,能够快速收敛到最优刚度并实现能耗的降低,并能够实现在能耗优先、误差优先、均衡性能三类优化目标的应用。

关键词： IGBT模块   开关暂态行为模型   电压尖峰   关断损耗   主动栅极驱动电路  

摘要： 为应对全球石油等能源稀缺危机和生态环境遭到破坏等问题,电动汽车因其能源可再生、环境污染小等独特优势被推广和普及已成必然趋势。电动汽车功率密度的提升对电驱动系统提出了更高的要求,其可靠性、高效性与主流功率半导体器件绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)紧密相关,IGBT模块开关暂态特性将影响电驱动系统性能。其中,抑制IGBT模块开关暂态的电气应力与降低开关损耗之间制约关系主要通过主动栅极驱动电路(Active Gate Driver,AGD)技术进行改善。本课题综合考虑IGBT模块的高可靠、高效率运行需求,围绕IGBT模块的开关暂态特性、改善抑制集电极电压尖峰与降低关断损耗之间的制约关系展开探讨和深入研究,推导了IGBT模块开关数学分析表达式和建立了行为仿真模型,提出了一种新型变电流AGD方案和一种新型变电压AGD方案,并完成了仿真验证和实验平台的搭建。 首先,根据IGBT模块在电驱动系统中所处的回路,将IGBT分为处于驱动回路和功率回路两部分,分别介绍IGBT和体二极管在两种回路的电气参数与特性。然后,将IGBT模块中的IGBT和体二极管开关过程分成多个阶段,推导了功率回路和驱动回路的数学分析表达式,揭示了驱动回路动态控制功率回路机理和尖峰产生的原因,为IGBT模块开关暂态行为仿真建模和主动栅极驱动电路的研究提供了理论基础。 接着,介绍了Ansys Twin Builder中IGBT模块内部的等效电路建模的原理与方法,通过导入IGBT模块厂商提供的静态参数和特性,再结合双脉冲实验获取的动态参数,建立了IGBT模块的开关暂态行为仿真模型。对比了IGBT和体二极管暂态行为仿真波形与实测波形,验证了模型的正确性。为进一步验证模型满足电驱动系统中复杂工况的适用性,对比了多种负载电流下的关键参数,计算出关键参数的误差率较小。然后,在模型基础上探究并分析了驱动回路的参数对功率回路电气应力及开关损耗的影响,为改善抑制集电极电压尖峰与降低关断损耗制约关系的AGD研究提供了方向。 最后,分析了传统有源钳位电路的工作原理与缺点,为进一步改善抑制集电极电压尖峰与降低关断损耗之间的制约关系,提出了一种通过检测集电极电流变化率注入驱动电流的新型变电流AGD和一种将模块杂散电感感应电压串入驱动电源的新型变电压AGD,相比已有的方案电路结构更简单、经济成本更低。在IGBT模块开关暂态行为模型基础上仿真验证了所提AGD的原理正确性。以传统驱动电路(Conventional Gate Driver,CGD)为对照,通过双脉冲实验验证了所设计的电路对集电极电压尖峰抑制效果的有效性和可靠性。相比传统驱动电路,新型变电流AGD和新型变电压AGD在相同集电极电压尖峰抑制效果下,不同负载电流范围内分别最高可降低关断损耗10.78%和10.46%,改善了抑制集电极电压尖峰与降低关断损耗的制约关系。