教学课程资源库 更多>>

关键词： IGBT   特征模型   多物理场耦合   键合线疲劳失效机理   数据处理   寿命预测  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)因其驱动功率小、通流容量大和易于并联等优点,逐渐成为主流功率器件并广泛应用于新能源、智能电网、电机驱动和工业变流等领域。IGBT作为电力电子装置的核心部件,其可靠性是提升整个电力电子装置性能的基础,因此,针对IGBT可靠性研究中晚期失效的两大难点展开研究:IGBT疲劳失效机理和IGBT寿命预测。 针对目前IGBT多物理场耦合分析采用静态功率损耗导致有限元仿真精度低、边界条件理想化导致未能结合实际工况以及现有键合线疲劳失效研究不完整一未考虑二极管芯片键合线等问题,以BPJ5-630/1140矿用变频器中逆变器部分IGBT为研究对象,提出了一种考虑其应用工况,结合IGBT特征模型来完整分析其多物理场耦合下键合线疲劳失效机理的方法。首先,建立FZ800R33KF2C型IGBT三维模型,再通过仿真与实验方法验证ANSYS Simplorer搭建的IGBT特征模型动态特性,得到矿用逆变器额定工况下IGBT芯片和二极管芯片瞬时功率损耗,并根据矿用逆变器温升实验确定隔爆腔内环境温度参数。最后,在ANSYS Workbench平台下进行热-电-力多物理场耦合有限元仿真,完整分析了不同芯片下键合线脱落对IGBT的影响。分析表明:在大功率IGBT键合线多物理场耦合分析中不能忽略二极管芯片及其键合线,IGBT芯片键合线脱落占总数62.5%及以上或二极管芯片键合线脱落数占总数33%及以上时,IGBT结温超过最大工作温度,且温升和等效应力迅速增大。在二者共同脱落的情况下,二极管芯片键合线脱落对IGBT影响更大。 针对传统寿命预测模型预测精度不足、数据特征挖掘不充分等问题,提出了结合互补集合经验模态分解(Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition,CEEMD)和相空间重构(Phase Space Reconstruction,PSR)的Tent混沌映射改进鹈鹕算法(Tent Pelican Optimization Algorithm,TentPOA)优化长短期记忆网络(Long Short-term Memory,LSTM)的寿命预测模型。首先,分析IGBT寿命表征参数及老化数据样本,考虑训练数据的完整性和真实性,确定选用NASA PCoE实验室公开IGBT老化数据中集-射极关断峰值电压VCE-P为IGBT寿命表征参数并作为原始数据集。再通过CEEMD分解和PSR挖掘数据潜在信息和扩充数据样本,并引入过零率优化数据处理流程,实现高效构建高质量训练数据集。最后,在Tent混沌映射改进POA算法优化LSTM预测模型下进行IGBT寿命预测,并与其他预测模型进行对比分析。分析表明:以LSTM模型预测结果为基准,所构建的TentPOA-LSTM寿命预测模型,其预测结果对比POA-LSTM预测模型评价指标MAE相对下降18.21%、RMSE相对下降10.71%、MAPE相对下降18.22%、R2相对提升178.8%,验证所提出模型的优越性。 所提出的疲劳失效分析方法完善了 IGBT键合线失效机理分析,为进一步研究与实际工况相结合的IGBT多物理场耦合有限元仿真提供参考。所构建的IGBT寿命预测模型表现出良好的预测精度和稳定性,具有一定的工程应用价值。

关键词： PLC   变频器   电气自动化   控制关键  

摘要： 如今，我国的电气自动化技术已经迈入到了飞速发展的阶段中，电气自动化设备的应用范围不断延伸，而随着各项技术形式的不断研发与应用，为了能够确保电气设备稳定运行、实时监测电气设备的运动状态，并能够达到智能化的系统控制目标，有关技术人员需要将PLC以及变频器运用在电气自动化控制系统中，这样不但能够有效降低电气自动化的设备投入成本，更能够实现智能化的系统控制目标。对此，本文将基于PLC技术及其原理优势，针对变频器的技术特点进行深入分析，从而探讨PLC和变频器实现电气自动化控制的各项关键点。

关键词： IGBT   母排   电磁干扰   磁场分布   PINN   有限元分析  

摘要： 近年来,随着新能源的快速发展和能源转型的迫切需求,电力电子技术在电力领域的应用越来越广泛。其中,绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)作为一种重要的功率半导体器件,具有开关速度快、控制灵活等优点,广泛应用于电力电子转换、调节和控制系统中,在现代电力电子技术中具有重要的地位和作用。然而由于IGBT模块开通、关断过程中极高的电压、电流变化率而引发的电磁兼容问题也越来越突出,其产生的电磁干扰往往会影响到附近电子设备的正常工作。同时母排作为电力电子变换装置中传输电能的重要元件,也因其高电流、高频率的工作特性会导致在工作时产生较强的电磁干扰。为了能够提高电力电子装置内部的电磁兼容性,针对IGBT模块和母排的辐射电磁干扰特性,本文展开如下研究:首先,本文通过仿真分析IGBT模块的工作特性指出了其电磁干扰的来源,然后在Ansys仿真平台中对IGBT模块及其散热器建立了三维仿真模型,以有限元分析法为基础研究了 IGBT模块及散热器在开通、关断过程中的辐射电磁干扰特性,得到了其周围干扰磁场的分布情况和不同位置的磁场强度变化规律,以及其辐射电磁干扰对驱动板的影响。所得到的仿真结果可用于优化电力电子装置内部的元器件布局,提高设备的电磁兼容性。之后本文引入物理信息神经网络(Physics-informed Neural Network,PINN),提出利用物理信息神经网络求解麦克斯韦方程组的方法来计算母排产生的辐射干扰磁场分布。与传统有限元方法相比,物理信息神经网络方法具有更高的计算效率,能够精确地计算母排的辐射干扰磁场分布。仿真结果表明,本文所提出的方法可以准确的计算出母排辐射干扰磁场分布,能够很好地模拟母排的辐射干扰磁场特性,为相关领域的工程实践提供了新的思路和方法。因此,本文的研究对于进一步理解母排的辐射干扰磁场分布特性,以及物理信息神经网络在电磁场领域的工程实践都具有重要的意义。

关键词： COVID-19   传播动力学模型   最优控制   人群管控策略   疫苗接种策略  

摘要： 重大突发传染性疾病不仅严重地危害了人类的生命安全,而且给社会经济发展带来了严峻的挑战。2019年爆发的新型冠状病毒肺炎(Corona Virus Disease 2019,COVID-19)在全球范围内感染的病例数累计超过5亿例,累计死亡病例数超过6百万例,并且随着COVID-19不断升级变异,疫情防控工作更加艰巨。因此探究科学有效的疫情防控策略,不仅对当前抗击疫情工作具有积极意义,也为今后应对类似突发重大公共安全卫生事件提供参考。本文首先根据新型冠状病毒肺炎的特点改进了经典的SEIR传播动力学模型,并通过scrapy爬虫框架获取了湖北省卫健委发布的疫情数据。通过采用最小二乘法与Powell优化法,用湖北省疫情数据对模型传染率、转化率、移除率等参数进行了拟合。改进后模型的预测疫情数据与真实疫情数据较为吻合,可以使用该模型做进一步研究。其次通过对改进的SEIR传播动力学模型中人口接触数量的扰动研究,发现当人群接触数量从12人降低到6人时,在终止时刻潜伏者、感染者、移出者数量分别减少了3194例、22941例、48002例,疫情结束时间提前。为了探究疫情防控初期最优的人群管控策略,本文进一步引入最优控制原理,以人口接触数量为控制变量,以潜伏者数量、感染者数量和人口管控成本最小化为目标函数,结合Pontryagin最小值原理得到了最优的人群管控策略随时间变化的路径。在最优人群管控策略下,综合考虑社会防疫成本最小化,有效控制疫情发展。最后,为了探究疫情防控后期在疫苗介入后最优的疫苗接种策略,本文以疫苗接种率为控制变量,以潜伏者数量、感染者数量和疫苗接种防控成本最小化为目标,建立汉密尔顿-雅各布-贝尔曼方程(HJB方程),在Python中调用ipopt求解器,采用数值求解方法得到了最优的疫苗接种策略随时间变化的路径。通过本文的研究表明,改进的SEIR传播动力学模型较好地拟合了湖北省COVID-19疫情初期情况,可以适用于本次COVID-19疫情研究;通过扰动模型的人口接触数量发现,科学的人群管控策略可以有效减少易感者、感染者数量,遏制疫情发展;在社会防疫成本最小化约束下,最优人群管控策略表明应该遵循“先严后缓”的策略,即在疫情初期严格控制人口流动,在疫情得到有效控制后应该有序的放开人群管制,逐步恢复社会秩序;COVID-19疫苗介入后疫情进一步得到遏制,综合考虑疫苗接种成本下的最优疫苗接种策略表明,应该在全民范围内高强度展开疫苗接种工作,特别是流动性大、人均接触数量高的人群需要优先考虑接种,鉴于COVID-19的顽固性,需要进一步提升疫苗对各类人群的保护率。

关键词： 永磁同步电机   矢量控制   NPC三电平逆变器   中点电位平衡   模糊控制  

摘要： 在NPC三电平逆变器的永磁同步电机驱动系统中,NPC三电平逆变器的优点包括输出电压电流谐波小、输出容量大和开关损耗低等,相比于多电平逆变器又具有结构简单,控制成本低等优点,在轨道交通、光伏发电、石油化工等中高压大功率变频调速应用广泛。三电平逆变器作为电机的能源供给的关键环节,其中点平衡问题、外界干扰都直接影响逆变器输出电能的质量,从而会影响电机的调速性能,长期运行会损坏电机,减少其使用寿命。本文的研究目的是为了提高PMSM驱动系统的整体控制效果,包括提高其抗干扰能力、降低转矩脉动问题、提高输出电压波形质量、控制精度和响应速度等,其具体内容如下: 首先,设计了NPC三电平逆变器的永磁同步电机驱动系统的模型,针对该PMSM驱动系统调制方式采用传统SVPWM算法计算过程复杂的问题,研究了60°坐标系下SVPWM算法,仿真结果表明该算法简化了运算过程,缩短了计算时间,从而提高了PMSM驱动系统运算速度。 其次,针对中点不平衡问题,主要研究了常用的两种方法,零序电压注入法和虚拟空间矢量法,通过算法实现以及仿真,发现零序电压注入法虽然实现简单,但存在不可控区域会使得直流侧中点电位的波动变大的问题;而虚拟空间矢量法可以实现全调制度和全功率因数内的中点平衡,但计算量过大。将两者应用于NPC三电平逆变器的永磁同步电机驱动系统,都具有超调量大和响应速度慢的问题,而VSVPWM具有更好的中点电位平衡效果。 最后,针对PMSM驱动系统中出现的转速超调量大和响应速度慢等问题,在速度环中设计了参数自整定的模糊PI控制器代替传统的PI控制器,并结合VSVPWM,构建新的算法IDA(Improved Driving Alogrithm)。最终应用于构建的仿真模型,并与普通驱动方法进行了对比。对比结果表明,采用IDA算法的NPC三电平逆变器的PMSM驱动系统能够解决中点电位不平衡问题,可保持直流侧中点电位稳定在±1V之间,能够提高抗干扰能力和输出电压波形质量,还可以提高PMSM控制系统的响应速度和精度,在负载由10N·m突增到30N·m的情况下,PMSM采用PI控制转矩恢复稳定需要0.03s左右,而采用模糊PI控制的转矩恢复稳定只需要0.01s左右,采用模糊PI控制PMSM时,转速的超调量比普通PI的低1.5%左右,恢复稳定的响应时间更短。可知,所设计的基于改进的驱动算法使得三电平逆变器的PMSM驱动系统整体性能得到提升。

关键词： 线控底盘   轨迹跟踪   非线性模型预测控制   直接转矩控制  

摘要： 随着科技的不断进步,传统汽车已经跟不上时代的发展,汽车需要向着智能化、电动化方向发展。基于全线控底盘的车辆,能够实现四轮转向,四轮驱动,提高了行驶的灵活性和稳定性。但全线控底盘车辆的控制系统属于过驱动系统,加大了车辆动力学控制系统的设计复杂程度,如何合理地设计全线控底盘车辆的轨迹跟踪控制结构和策略,合适地分配车轮转角和各轮胎力矩以控制车辆实现轨迹跟踪具有重要的研究意义。 本文以全线控底盘车辆作为研究对象,其在结构上结合了线控转向技术、线控驱动技术、线控制动技术,替代了车辆内部大部分的机械结构,因此具有很高的可控自由度。而车辆在平面上有纵向运动、侧向运动、横摆运动,自由度小于控制自由度,这增加了全线控底盘车辆轨迹跟踪控制结构的设计的难度。 为研究全线控底盘车辆的动力学特征,分别建立了全线控底盘内部的各个线控系统及车辆动力学仿真模型,能够反映车辆各个子系统的响应过程和车辆各方向运动的耦合关系。最后,将车辆模型与ve DYNA模型进行了对比验证。 本文提出的轨迹跟踪控制算法采用了整车轨迹跟踪控制层、车轮力矩分配策略的分层架构。整车轨迹跟踪控制层以车辆轨迹跟踪性能和质心侧偏角为控制目标,采用非线性模型预测控制算法,求解出车辆轨迹跟踪所需的期望加速度、前轮转角、后轮转角和附加横摆转矩。车轮力矩分配层根据上层输出的期望加速度和附加横摆转矩,在车辆处于极限情况时以稳定性为控制目标,以左右两侧车轮附着裕度的差值等优化目标,最优分配四个轮毂电机的驱动力矩。同时根据车轮力矩分配策略的设计,引入了以全线控底盘车辆为对象的车辆横摆角速度-质心侧偏角相平面法,分析了车辆不同状态对相平面的影响,并判断车辆在行驶时所处的稳定状态。 最后,以veDYNA车辆模型与其他仿真平台搭建的全线控底盘车辆为被控对象,仿真验证了轨迹跟踪控制算法,并基于汽车控制器软件开发流程进行了轨迹跟踪控制算法的代码实现,并进行了全线控底盘车辆的硬件在环试验,以验证了本文提出的全线控底盘车辆的轨迹跟踪控制算法的控制效果。

关键词： 最优控制   生态流行病学   存在性和唯一性   随机最优控制   最优条件  

摘要： 本文主要研究一类食饵-捕食者反应扩散种群系统的最优控制相关问题,主要内容包括系统解的适定性、最优控制的存在性以及系统最优控制的极大值原理。各章节内容如下:第一章主要阐述食饵-捕食者种群系统的问题背景和研究意义,并简要介绍生物种群模型的研究现状、最优控制理论的发展概况,以及本文所得到的主要结果。第二章给出了半群理论、函数空间和随机分析的相关定义及定理。第三章研究了一类食饵-捕食者反应扩散种群系统在确定性条件下的最优控制问题,其旨在在适当控制捕食者种群的情况下使物种密度最大化。首先,借助半群理论相关知识,在合适的状态空间中证明了控制系统有唯一的全局正强解。其次,引入所要研究的最优控制问题,并利用紧性理论论证了该最优控制问题至少存在一个最优对。然后,通过线性化控制系统引入适当的对偶变量,推导出了bang-bang型的一阶必要最优条件,同时还推导出了最优对的二阶必要和充分条件。最后,给出了一个数值例子证实了本章获得的结果。第四章考虑了一类食饵-捕食者反应扩散种群系统在随机条件下的最优控制问题,通过考虑受感染猎物引起的不确定性因素,将第三章的工作扩展到随机情形中。在适当的条件下,对于一个给定的允许控制变量,利用压缩映射原理证明了随机控制系统存在一个唯一的全局正解。其次,为随机控制系统引入一个适当的目标函数,并证明了该最优控制问题至少存在一个最优对。最后,建立了状态变量相对于控制变量的G可微性,以及引入适当的变分对偶系统推导出了最优对的bang-bang型必要条件。

关键词： IGBT   焊料层空洞   传递函数   状态监测   结温估计  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)具有低导通电压、低功率损耗,以及高功率密度、高开关频率等优点,作为电力电子系统的重要组成部分被广泛应用于新能源汽车、航空航天、轨道交通等领域。因受到模块封装技术、散热条件以及工作环境等因素的影响,IGBT芯片产生的热量会导致模块结温过高,长期以往可靠性受热的影响越来越大,最终导致模块老化甚至失效。相关研究表明,结温过高所导致的故障率占据功率器件失效的一半以上,而封装级失效则是其一种主要故障方式,其中作为IGBT模块重要组成部分的焊料层被认为最易发生老化的部位之一,因此对焊料层损伤及结温监测方法的研究具有重要意义。基于此,本文对IGBT模块焊料层老化监测以及结温的获取方法进行研究,具体研究内容如下:首先,介绍了IGBT模块的基本结构及工作原理,对IGBT模块的工作特性以及传热机理进行分析;描述了IGBT模块老化损伤的常见类型和传统的热网络模型,并且根据IGBT模块的物理结构提取了Cauer模型中的热阻和热容参数。其次,提出了一种基于结温传递函数的IGBT模块焊料层空洞损伤监测方法。介绍了IGBT模块各层结构热阻热容与Cauer模型之间的关系,探究了芯片焊料层不同空洞率下热阻的变化规律,建立了热阻变化量与空洞率的关系式;分析了利用结温传递函数求取Cauer模型参数的过程,得到了结温传递函数与热网络模型参数的关系。通过实验验证了考虑焊料层空洞损伤监测方法的可行性和正确性。最后,通过比较结温、底板温度、散热片温度传递函数与Cauer模型热参数之间的关系,提出了一种基于底板温度传递函数的Cauer模型参数识别方法。实验测得底板温度传递函数后可以反推出结温传递函数,进而求得结温表达式,实现IGBT模块结温估计。此外,基于此方法可以实现对IGBT模块、热界面材料(Thermal Interface Material,TIM)和散热片散热效果的状态监测。

关键词： 压接型IGBT芯片   芯片参数   并联均流   筛选策略  

摘要： 基于电力电子器件的高压直流电网技术,已成为未来电网的重要发展方向。压接型IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)器件因为其双面散热及失效短路等特点,已经逐步取代了传统的电力电子器件。然而,单颗IGBT芯片的通流能力无法满足电网应用要求,因而IGBT芯片的多芯片并联技术已成为大功率器件设计的核心之一。ABB、英飞凌、西门子、赛米控等公司的研究表明,IGBT芯片的并联均流特性主要受芯片参数、母排电路、运行工况等因素影响,本文主要针对其中影响较为显著的芯片参数展开研究。首先,揭示了压接型IGBT芯片常见动静态参数的统计学数字特征,采用P-P图逐一验证了单参数的正态分布模型,采用皮尔逊相关系数验证了芯片参数两两之间的双变量相关性,搭建中介分析模型、神经网络模型分析了芯片参数之间的多变量作用关系。其次,根据压接型IGBT芯片的工作波形,阐述了芯片开通、稳态、关断过程各阶段内集电极电流的变化规律,通过统计分析方法,揭示了并联IGBT芯片的参数分散性对集电极电流分布的定量影响规律,提出了开通瞬态电流的跨导积分法计算公式、稳态负载电流的饱和管压降分流法计算公式与关断瞬态电流再分配差额的线性拟合公式,通过并联双芯片的双脉冲实验,验证了所得结论的有效性,提出了分别针对开通、稳态、关断过程的芯片筛选策略。最后,逐一分析了温度、压力、电流等级对压接型IGBT芯片参数与芯片并联均流特性的影响,获得了大电流等级下关断的双峰现象波形,定义了关断期间电流波形的两类电流竞争峰谷,提出了针对外部条件变化的均流策略,并给出了综合考虑开通、稳态、关断过程的芯片筛选策略。本文的相关研究成果可以为压接型IGBT器件内部并联芯片的筛选工作提供理论支撑。

关键词： 环境污染   种群模型   平稳分布   最优控制   基本再生数  

摘要： 人类的工农业生产和其他活动所造成的环境污染问题,现如今已经成为最重要的社会生态问题之一.污染物的毒素不仅危害人类的身体健康,而且对生物种群、群落以及整个生态系统的结构和功能产生极大的影响.因此,利用数学模型来研究有毒物质对生物种群的影响、讨论污染物的控制策略具有重要的理论价值与现实意义.通过分析生物种群与污染物的交互特点,考虑影响污染环境中种群动态的不同因素,本文建立了两类受污染环境影响的种群模型并讨论了模型的动力学行为与最优控制.具体研究内容如下:1.考虑环境的随机性,建立污染环境中具有随机扰动的种群模型.首先,通过构造适当的Lyapunov函数,证明模型全局正解的存在唯一性,建立了正解遍历平稳分布存在的充分条件.其次,引入最优控制策略,利用Pontryagin极大值原理,得到了最优控制存在的一阶必要条件.最后,通过数值模拟对主要结果进行验证.2.考虑环境的空间异质性,建立污染环境中具有空间扩散和空间异质参数的种群模型.首先证明了模型正解的存在唯一性以及有界性.通过定义基本再生数R0,讨论了种群灭绝或持续存在的阈值动态:当R0≤1时,系统的无种群平衡点是全局渐近稳定的,当R0>1时,系统是一致持久的.此外,在空间同质的情况下,分析了R0>1时唯一正平衡点的全局渐近稳定性.最后,给出数值例子验证理论结果.