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关键词： SiC控制器   共模传导干扰   矢量控制   EMI滤波器  

摘要： 随着新能源汽车产业的快速发展,对新能源汽车电机驱动控制的要求也越来越高。近年来,对第三代宽禁带半导体技术的研究逐渐深入,碳化硅(SiC)由于具有耐压等级高、开关速度快等优势,在电机驱动控制领域的应用前景越来越受到人们关注。然而,由于SiC控制器中器件超高的开关频率以及使用的PWM调制策略都会引起严重的共模传导干扰问题。为了符合相关行业的电磁兼容(EMC)标准,SiC控制器需要满足电机控制基本功能要求的同时解决其电磁干扰问题。因此,以SiC MOSFET为研究对象,本文针对SiC控制器所产生的共模传导干扰问题进行抑制研究。本文首先对SiC控制器产生电磁干扰(EMI)问题的原理深入研究,并且详细地研究EMI的传导干扰源以及SiC控制器上共模传导干扰的传播路径,基于上述研究搭建一种在Matlab仿真软件下的共模传导高频模型,对不同开关频率下共模干扰电压进行仿真分析,证明对SiC控制器共模传导干扰进行抑制策略研究的重要性。其次,从干扰源进行抑制方面,本文针对开关高频动作以及PWM调制高频谐波产生的EMI问题,提出一种随机三态脉宽调制策略,该调制策略通过改变矢量电压的合成方式和载波频率,使共模电压降低、高次谐波频谱分布更加均匀对共模传导干扰进行抑制。通过仿真分析,验证随机三态脉宽调制策略对共模传导干扰有着良好的抑制效果。再次,从耦合路径进行抑制方面,本文针对传统滤波器设计时通过经验设计难以立即得到参数和拓扑结构优秀的滤波器,需要反复设计的问题,提出一种基于遗传算法SiC控制器共模传导EMI滤波器优化设计方法,通过遗传算法设计的共模传导EMI滤波器参数和拓扑结构出色且自动化程度高,进而有效缩短设计共模传导EMI滤波器所需时间,克服传统滤波器设计中一系列问题。并根据仿真分析,表明基于遗传算法设计的滤波器有效抑制共模传导干扰。最后,搭建共模传导干扰实验平台,测量SiC控制器初始共模传导干扰,显示SiC控制器在150k Hz到108MHz频率范围存在严重的电磁干扰。分别对从干扰源以及耦合路径两方面提出的抑制策略进行实验验证,最后将两种抑制策略结合进行双重抑制实验验证。实验结果表明,本文研究的共模传导干扰抑制策略可有效降低SiC MOSFET控制器共模传导干扰,解决SiC MOSFET控制器在150k Hz到108MHz频率范围内共模传导干扰超标问题,具有一定的工程意义。

关键词： 群体追逃博弈   任务分配   二分图   扰动因素  

摘要： 随着时代的发展,“人工智能+无人机”可能成为未来空战的主要形式.群体追逃微分博弈理论构成无人机集群空战算法的重要基础理论,而我国的国防建设急需最先进的群体追逃微分博弈理论和相应技术的支撑.本文在追逃博弈的框架下,研究群体追逃微分博弈最优控制求解以及追逐者的任务分配问题,主要研究内容如下:首先介绍了本文涉及到的重要定义,然后对经典的一追一博弈和多追一博弈进行模型构建和最优控制求解.其次针对完全信息博弈的情形,求解追逃双方的最优控制,基于二分图理论,为追逐者设计任务分配算法.本文给出的任务分配算法保证逃避者能够智能地最大限度地延长被捕获的时间,在足够信息的支撑下取得更好的博弈的解,并且给出了算法的时间复杂度及证明,确保了算法的可行性及有效性.再次针对逃避者视野受限的情形下的不完全信息博弈,求解追逃双方的最优控制,并在考察扰动因素的情况下,基于二分图理论,为追逐者设计任务分配算法.实验证明,本文给出的任务分配算法能使得原本冗余的追逐者有可能转化为积极的追逐者.最后针对具有流场的不完全信息博弈的情形,求解追逃双方的最优控制,基于二分图理论,为追逐者设计任务分配算法.该算法可以扩展到研究更加复杂的流场情形中.

关键词： 压接式IGBT   杂散电感   寄生电容   开关损耗  

摘要： 压接式IGBT动态测试电路中的杂散电感是导致关断电压和开通电流过冲的主要原因,同时也会增大器件在开通过程和关断过程的损耗,所以测量动态测试电路中的杂散电感具有重要意义。 本文首先基于电工委员会(IEC)标准和双脉冲理论搭建了动态测试电路,该测试电路能较为准确地反应器件的运行状态。在此基础上,分析了动态测试电路中含有的寄生参数和IGBT的开关特性,接着仿真研究了开关过程中测试电路杂散电感对关断电压过冲以及寄生电容对开通电流过冲的影响。 随后在考虑寄生参数影响的情况下对动态测试电路进行了建模,并对二极管的反向和正向恢复过程进行了分析,得出开通过程比关断过程杂散电感提取精确度高的结论,因此本文选择在开通过程提取杂散电感。又因为微分法计算杂散电感需要集电极电流的变化率,其会受到噪声的影响,所以本文采用积分法计算杂散电感。通过研究不同积分区间对杂散电感提取精度的影响,选择在误差较小的积分区间计算杂散电感。通过对电压电流进行多项式拟合,得到了电压电流的函数表达式,将其带入到杂散电感的计算公式,计算得到了不同寄生电容影响下的杂散电感。 最后通过对电压和电流的波形进行多项式拟合,计算了IGBT器件的开关损耗,研究了杂散电感、寄生电容和栅极驱动电阻对开关损耗的影响规律。随着杂散电感的增大,开通损耗减小,关断损耗和开关损耗增大,并且得到杂散电感与损耗的拟合函数表达式,为准确预测IGBT的开关损耗提供了理论基础。随着寄生电容的增大,关断损耗基本不变,开通损耗增大。当驱动电阻增大时,器件的开关时间变长,导致器件的开关损耗增大。

关键词： 分数阶最优控制问题   Caffarelli–Silvestre扩展   先验误差估计   谱配置方法   谱Galerkin方法  

摘要： 偏微分方程约束最优控制问题在经济、工程设计、医学成像、航空航天等领域有着广泛的应用,关于其理论和数值方法的研究受到了研究者们的广泛关注.近年来,随着分数阶微积分理论的快速发展,关于分数阶方程约束最优控制问题的数值算法研究成为了科学计算领域的热点问题之一.与整数阶方程相比,分数阶方程可以更准确的描述反常扩散、热传导等现象.因此,研究分数阶方程约束最优控制问题的数值计算方法具有重要的实际意义和应用价值. 分数阶导数具有非局部性,而谱方法是一种全局性的数值方法且具有高精度,为此,本文将着重研究无约束分数阶最优控制问题、控制受限和状态受限分数阶最优控制问题的谱方法逼近,建立先验误差的分析理论,并通过数值算例进行验证. 本篇论文主要研究内容: 第一部分:主要包括一类由包含经典导数和Caputo分数阶导数的动力系统约束的分数阶最优控制问题,提出了一种Jacobi谱配置方法.首先,推导出了一阶最优性条件.然后,利用提出的Jacobi谱配置方法来离散所得到的一阶最优性条件,得到了一个代数方程组,通过求解该方程组,可以得到最优控制问题的数值解.最后,对该方法进行了收敛性分析,并通过三个数值算例验证了该方法的有效性. 第二部分:研究了控制积分受限的分数阶椭圆型方程最优控制问题的谱Galerkin逼近.首先,利用Caffarelli–Silvestre扩展解决了分数阶拉普拉斯算子的非局部性,并推导出了扩展最优控制问题的一阶最优性条件.之后针对扩展问题提出了一种基于加权Laguerre函数的谱Galerkin离散格式,证明了谱离散格式的先验误差估计.最后,通过数值实验验证了方法的有效性和理论结果的正确性. 第三部分:研究了状态积分受限的分数阶椭圆型方程最优控制问题的谱Galerkin逼近.首先,为了克服分数阶拉普拉斯算子的非局部性,利用Caffarelli–Silvestre扩展将状态方程转化为混合边值问题,并推导出了扩展最优控制问题的一阶最优性条件.随后,针对扩展问题提出了一种基于加权Laguerre函数的谱Galerkin离散格式,给出了谱离散格式的先验误差估计.最后,通过数值实验验证了该方法的有效性.

关键词： 风电机组   热特性   瞬态双界面法  

摘要： 在新能源利用中，风力发电具有建设周期短、装机规模灵活、系统成本低等特点，在世界范围广泛应用。截止2022年底，我国风力发电装机达到36.544GW,成为世界风电装机量最大国家。巨大的风电变流器保有量，使得运营维护问题凸显。针对风力发电系统各部件的状态监测和故障处理，是日常维护的重点。风电变流器中的IGBT功率器件是最为核心的关键，直接影响着风力发电系统安全平稳地运行。风电变流器在工作中会经常遇到负载突变，过流过压，温度变化等工况，产生对IGBT模块瞬时的功率冲击和温度冲击。这些热冲击工况会改变IGBT电气特性，影响IGBT使用寿命。研究风电变流器IGBT在实际工况下的热特性，分析不同运行工况下IGBT温升热特性对使用寿命的影响，可以对风电机组的优化设计和风场的运维检修提供相关的技术支持和理论指导，具有现实的意义。　　论文首先介绍了风电机组的运行原理和风电变流器的工作特性。分析了双馈风力发电机组运行原理和风电变流器不同工况下的工作特性。研究了基于MATLAB仿真平台的单台双馈风电机组并网模型，进行控制系统设定和运行工况仿真，验证了所建模型可以准确模拟风电机组的实际运行工况。　　基于风场环境分析了影响风电变流器IGBT模块热特性的相关参数。选取了IGBT的集射极电压、集电极电流、热阻抗等参数为主要研究对象。研究风力发电机组中变流器的能量流动特性，分析IGBT的集射极电压、集电极电流与对应功率损耗的关系。采用瞬态双界面法，测得运行一定年限后的IGBT的实际热阻和热容，建立了热网络模型，与未使用的IGBT模块进行参数对比校正评估实际运行IGBT的老化程度。　　构建了MATLAB联合PLECS的风电机组电热仿真模型，研究IGBT在风电机组实际运行工况下热特性的变化趋势。利用雨流计数法对风电变流器IGBT的结温波动数据进行分析处理，总结出温度载荷谱，推算出IGBT模块的损伤度。设计了针对不同风场多型号风电变流器IGBT的基于MATLAB/GUI的风电IGBT寿命评估软件。　　论文最后搭建了风电变流器IGBT功率循环实验平台，以获取IGBT模块老化过程中热特性的变化趋势。开发了进行功率循环实验的设计流程，完成了下位机、上位机的软硬件设计和实验平台的搭建。开展了相关实验测试，验证了设计方案所提功能。

关键词： SEIRV模型   时滞   稳定性   Hopf分岔   最优控制  

摘要： 2019年末爆发的新型冠状病毒肺炎(COVID-19)至今仍在全世界各地流行。由于新冠病毒具有高度变异性和传染性强的特点,如何选择合理高效的防控措施控制疫情传播规模是一个重大课题。因此,研究适用于当前疫情发展阶段的传染病动力学模型和相应的最优控制问题,能够为传染病的预防提供理论依据,对人类现实生活有着重大意义。本文在原有的SEIRV传染病模型基础上,考虑非线性传染率和疾病的免疫周期,使得模型更符合现实疾病的传播规律,讨论不同时滞下的平衡点稳定性和最优控制问题。首先,本文研究其动力学行为,利用泛函微分方程理论证明解的适定性,然后给出模型的基本再生数R和无病平衡点E的表达式,并通过特征方程法和构造Lyapunov函数,证明当R<1时,时滞τ的存在不影响无病平衡点的稳定性,说明传染病终将消亡;而当R>1时,首先证明地方病平衡点的存在唯一性,并发现过大的时滞会使系统失去稳定。因此我们将时滞设置分岔参数,通过中心流形定理和法向理论,从而证明周期解的稳定性和得到Hopf分岔存在的充分条件。其次,本文在原模型基础上引入加强抗原筛查,提升疫苗接种率和施加药物加快治愈三种控制策略,提出对应的最优控制问题。对于所建立的控制系统,本文首先证明最优控制的存在性,然后根据Pontryagin最大值原理,给出最优控制u~*的表达式。最后,对平衡点稳定性和最优控制进行数值模拟。通过选取合适的参数和参考以往疫情数据模拟验证无病平衡点的全局稳定性;而对于地方病平衡点,当时滞τ≥τ时,出现Hopf分岔;当τ<τ时,地方病平衡点趋近稳定,然后利用Runge-Kutta迭代法,作出了最优控制的曲线,验证最优控制条件和控制策略对抑制疫情传播的有效性。

关键词： 执行器   有限冲激响应   率失真   有限精度   熵误差   最优控制  

摘要： 近年来,基于信息论的性能分析相关理论一直在发展完善,也出现了将信息论方法应用在有限冲激响应执行器中的研究,然而这些工作一直局限于利用互信息与熵这些概念的物理直觉来定义性能指标,并未触及率失真理论在系统的可解释性以及控制系统设计方面的应用。本文基于香农信息论的思想,研究了有限冲激响应执行器的熵率函数及其在可加性分布族下的闭合表达式,对有精度约束与无精度约束的执行器分别给出了失真率函数的闭合表达式。针对线性高斯跟踪问题,提出了一种基于条件互信息的线性控制策略。本文的主要工作和创新点如下: 1.在可加性的信源与信道分布下,推导了无噪执行器的失真率函数。运用可再生分布族的性质,使用概率函数与器特征函数的对应原理,结合后验熵失真度准则的定义,得到了无噪执行器的一系列熵率函数关系表达式。而后在数据序列长度趋于无穷的情况下,对线性反馈执行器中继续推导了带观测噪声的熵率函数,其意义为信息传输速率下界或后验熵失真度量下界。 2.对有限精度FIR执行器,引入执行器中的量化噪声,提出了有限精度下的后验熵失真度量,推导可加性噪声分布下执行器的失真率函数。对系统输出与系统状态的互信息和预期输出与参考输出间的互信息给出理论表达式。给出了恒模响应序列与任意响应序列两种情况下失真率函数的推导证明。 3.针对最优控制问题中的有限时间跟踪问题,提出了基于条件互信息的控制策略,推导了基于互信息指标的控制参数设计方法。推导了反馈输入的估计式和逐步迭代过程中互信息的理论表达式。基于已知参考信号下系统实际输出与系统状态的条件互信息,给出了线性高斯系统的参数设置范围。

关键词： HBV   DNA核衣壳   细胞-细胞感染   胞内时滞   药物治疗   最优控制  

摘要： 基于病毒感染过程中存在胞内时滞，本文建立了乙型肝炎病毒HBV DNA核衣壳和细胞-细胞感染的时滞HBV感染模型，并研究两种药物治疗的最优控制问题。基于庞特里亚金极值原理，得到所建模型最优控制的存在唯一性及其特征表达。最后结合数值模拟验证了最优控制策略在降低感染肝细胞浓度和病毒载量方面的有效性。结果表明，时滞对最优控制策略有一定的影响，但不会影响最优控制的长期治疗效果，且干扰素类药物（如聚乙二醇干扰素，Polyethylene Glycol Interferon，简称PEG IFN）的控制效果要优于核苷类药物（如拉米夫定，Lamivudine，简称LMV）。

关键词： IGBT失效机理   IGBT老化状态预测   BP神经网络   改进麻雀搜索算法   ISSA-BP预测模型  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管((Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)作为电力电子变流器系统中的核心功率器件,因其开关损耗低和驱动功率小的特点,所以IGBT在智能电网、轨道交通、新能源发电等领域得到了广泛的应用。在整个电力电子系统中,随着IGBT功率模块使用时长增加,功率器件使用后期的老化失效风险也伴随着增加,如此一来便极易造成经济上的损失和安全上的危害。因此,IGBT的老化状态预测对提升电力电子系统可靠性具有重要的意义。本文建立基于改进麻雀搜索算法和BP(Back Propagation)神经网络相组合的IGBT老化状态预测模型,并应用NASA研究中心公开的IGBT集射极关断瞬时尖峰电压老化数据集及自主搭建IGBT加速老化实验平台获取的热阻老化数据集进行模型训练及验证,实验结果说明了所提模型的有效性。本文主要从以下几个方面展开研究:首先,对IGBT的基本结构、IGBT工作静态特性及动态特性进行了归纳,在分析IGBT模块封装结构的基础上,进一步分析并总结IGBT模块的失效类型、失效点和失效模式。归纳了常用的IGBT老化失效监测特征参数,并选取来自NASA研究中心IGBT老化失效数据集中的集射极关断瞬时尖峰电压和自主搭建IGBT加速老化实验平台获取的热阻作为老化状态监测特征量来表征IGBT的老化状态。其次,总结了IGBT加速老化试验中最常用的几种加速老化策略,采用恒定壳温波动的功率循环加速老化试验方法,完成IGBT加速老化实验平台搭建,并获取相应IGBT加速老化数据集。对来自NASA研究中心公开的IGBT集射极关断瞬时尖峰电压老化数据集和自主搭建IGBT加速老化实验平台获取的热阻老化数据集进行分析,应用归一化、指数平滑法和随机划分方法对上述两种不同老化数据集进行预处理。再次,搭建基于BP神经网络的IGBT老化状态预测模型,在此基础上,针对应用NASA开源的IGBT老化数据和自主搭建IGBT加速老化平台获取的老化数据对BP神经网络预测模型训练时存在训练时间较长、缺乏全局搜索能力和预测精度较低等问题,采用麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)对BP神经网络输入权值和隐含层阈值进行优化。之后搭建仿真平台完成对改进预测模型的验证。最后,针对麻雀种群随机初始化、种群多样性较差及易陷入局部最优等问题,采用Tent混沌映射和萤火虫扰动策略相结合的方法完成对SSA的改进。应用基准测试函数对改进麻雀搜索算法(Improve Sparrow Search Algorithm,ISSA)进行性能测试,测试结果证明ISSA无论在搜索速率上还是搜索精度上都要优于其它算法。搭建仿真环境完成对基于改进麻雀搜索算法优化BP神经网络(ISSA-BP)的IGBT老化状态预测模型的建模,并使用NASA研究中心开源的IGBT集射极关断瞬时尖峰电压老化数据和自主搭建IGBT加速老化实验平台获取的热阻老化数据分别对所提基于ISSA-BP的IGBT老化状态预测模型进行验证,通过与不同预测模型作对比,验证了ISSA-BP预测模型在IGBT老化状态预测方面具有更强的适用性和更高的预测精度。

关键词： 四旋翼无人机   视觉伺服   自适应动态规划   时变系统   最优控制  

摘要： 视觉伺服是机器人研究的一个重要分支,四旋翼无人机作为一类特殊的机器人,基于其灵活性强、可垂直升降等优良特性,在现实生活中的应用十分广泛。然而,由于四旋翼的动力学特性复杂,且图像特征的选取具有难度,导致实现四旋翼的视觉伺服控制并不简单。ADP(自适应动态规划,Adaptive Dynamic Programming)作为一类特殊的强化学习算法,同样是通过智能体与环境进行交互、不断学习策略实现奖励最大化的智能算法,可以与最优控制理论有效结合,进而对具有复杂动力学特性的系统实现运动控制。本文旨在构建四旋翼IBVS(基于图像的视觉伺服,Image-Based Visual Servoing)模型,并考虑模型中存在的视场约束和外部扰动,致力于设计高效、稳定的控制器,以完成四旋翼的视觉伺服任务。为此,需要解决四旋翼IBVS模型的强耦合、非线性和时变HJB(哈密尔顿-雅可比-贝尔曼,Hamilton-Jacobi-Bellman)方程的求解问题。具体而言,本文的主要工作包括以下几个方面: (1)四旋翼IBVS模型的构建与处理 提取目标图像的图像矩作为图像特征,并利用透视投影模型,建立图像动力学。将图像动力学模型与四旋翼动力学模型相结合,得到四旋翼IBVS模型。但该模型仍具有强非线性,因而将其拆分为横向、高度和偏航方向的子系统,分别进行控制设计,实现完整动力学的解非线性处理。在小角度近似原理的应用下,高度和偏航子系统均被描述为易于求解的线性系统形式,横向子系统则可视为时变系统,时变项由高度和偏航子系统中的相关变量引入。三个子系统均转化为易于控制的形式,大大降低了控制器设计难度。 (2)针对视场约束的视觉伺服控制 研究视觉伺服问题的基础是确保机载相机始终能够捕捉到目标物体,因此需要对视场进行约束。为了解决系统中视场约束的问题,提出了一类基于时变ADP的四旋翼视觉伺服控制算法。在视觉伺服控制器的设计中,主要考虑对横向子系统的控制设计,将其转化为带输入约束的最优控制问题,并选取非二次型的效用函数,以双曲正切函数将输入限制在既定范围内。为了求解最优控制律,需要求解时变HJB方程,本文利用改进的时变神经网络结构近似时变最优值函数,并设计合适的权值更新律,得到近似最优控制律,进而完成四旋翼IBVS系统的控制设计。最后,通过稳定性证明和仿真验证结果,验证了该方法的有效性。 (3)针对不确定扰动的串级鲁棒保成本视觉伺服控制 在四旋翼无人机的飞行过程中,系统会受到环境因素的影响,从而引入不确定扰动。为了提高四旋翼的鲁棒性,考虑不确定扰动力对系统的影响,提出了一类基于ADP的串级鲁棒保成本控制算法。首先,构建横向子系统图像特征误差-速度双环结构,并将其转化为鲁棒最优保成本控制问题求解。通过在代价函数中引入一个有界函数,保证由系统不确定性引起的系统性能退化小于这个界,进而最小化不确定性对系统的影响。再利用时变神经网络的函数逼近性质,求解鲁棒近似最优控制律,并给出系统的稳定性证明和仿真验证结果。 图25幅,表1个,参考文献89篇