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关键词： 矫直机电动压下系统   传动系统误差模型   矢量控制   模型参考自适   MRAS无速度传感器矢量控制  

摘要： 随着机械行业的不断发展,对矫直机设备的需求也在不断增加,因此需要持续的开展矫直技术和设备的研究工作,以满足市场的多样化需求,并推动整个行业的进步和发展。电动压下系统作为矫直设备中的核心部件,其控制性能直接关系到整个工艺流程的稳定性和精度。研究电动压下系统的组成和控制策略,可以大幅度提升矫直精度,降低生产成本,从而提高矫直行业的制造力。本文结合实际情况研究矫直机电压下系统的传动误差模型、电机驱动控制算法、硬件系统,针对电机地中速扰动问题,基于观测器的方法研究无速度传感器矢量控制系统。首先分析了矫直机压下系统的原理、影响矫直的机械传动系统误差,考虑传动系统间隙的影响因素后,建立压下系统传动误差控制模型。其次针对电动控制系统采用设计双闭环的调速设计方案,建立三相异步电机在不同坐标系下的数学模型,设计无速度传感器矢量控制模型。针对无速度传感器矢量控制模型的不足之处进行方案改进,改进方法主要是利用模糊PI优化双闭环调速系统,利用滑模控制优化转子磁链的MRAS模型。利用MATLAB/Simulink进行仿电机运动仿真。改进后的MARS的磁链模型的电动压下系统控制具有响应快、鲁棒性强、强抗干扰能力和提高了精度,为矫直机行业提供可靠的技术基础,实现了对矫直机电动压下系统的动态响应和控制,对矫直机控制领域做出贡献。最后设计基于西门子S7-1500PLC进行电动压下系统实验设计,其中包含控制方案的设计,系统硬件的选型和在博图TIA仿真软件里进行硬件组态、参数设置、梯形图编程,最终实现矫直机压下系统的控制。

关键词： 航空发动机   多任务控制   性能指标   最优控制   强化学习   变权重SDRE控制  

摘要： 随着科技的持续发展,先进民用航空发动机推进效率、安全性水平及污染物排放水平等任务目标的要求不断提高。受各项任务目标机理的影响,航空发动机各任务间的性能指标要求存在相互促进或相互制约的关系,这使现有的发动机优化设计难以兼顾多任务目标。航空发动机控制算法可以通过对控制变量的合理配置,协调各项指标间的关系,达到共同优化的目的,本文着眼于控制的视角,开展面向先进民用航空发动机多任务目标的过渡态控制算法研究。 航空发动机控制通过设计合适的燃油流量在保证安全性的条件下实现推力需求,但传统的控制算中并未对一些可通过设计燃油流量进行优化的性能指标进行针对性设计,本文围绕先进民用航空发动机多任务目标进行控制算法设计,以期在保证过渡态推力响应任务、安全性任务的同时,实现多任务性能指标的优化。本文的工作主要包括以下几个方面: 首先,进行附加任务的定义和分类。将这类可优化的性能指标定义为过渡态附加任务,受其生成机理影响,附加任务会对推力响应速度产生促进作用或抑制作用,因此需设计不同控制算法以确保推力响应任务的完成。本文基于附加任务对推力响应任务的影响,进一步将附加任务分为对推力响应任务具有积极影响的正向附加任务和消极影响的反向附加任务两类,设计附加任务类别判断方法。以NOx低排放控制任务作为附加任务,阐述两类NOx低排放控制任务所属的附加任务类别。 其次,面向正向附加任务,基于耦合推力响应任务指标项和附加任务指标项的性能指标函数设计控制算法。由于正向附加任务不会对推力响应任务产生消极影响,因此可以直接通过构建含附加任务指标项的性能指标函数对过渡态中的附加任务进行优化,此时性能指标函数中具有状态变量和控制变量的耦合项和一次项,因此本文基于Pontryagin极小值原理和HJB方程设计了针对此性能指标函数的求解方法,并分析了耦合项和一次项对控制效果的影响。以快速型NOx低排放控制任务作为附加任务为例,依据所提出的控制算法进行仿真,仿真结果表明某工况下,所提出的算法可以在加快推力响应速度的同时降低14.5%的NOx生成,说明所提出的控制算法在面向正向附加任务时可以有效实现航空发动机过渡态多任务目标控制。 最后,面向反向附加任务,基于变权重控制的方法设计控制算法。为避免反向附加任务对推力响应任务的消极影响,通过构建可随状态时变的变权重性能指标函数进行变权重SDRE控制算法的设计。仿真说明了该算法的控制效果极大的取决于可以表征状态变量和性能指标函数中权重系数映射关系的变权重函数,因此本文进一步基于强化学习的方法通过建立含惩罚项的奖励值函数离线学习得到可以输出不同状态下权重系数的神经网络,实现变权重函数的设计。以热力型NOx低排放控制任务作为附加任务为例,依据所提出的控制算法进行仿真,仿真结果表明某工况下,所提出该算法的可以在不影响推力响应速度的条件下降低2.3%的NOx生成,说明所提出的控制算法在面向反向附加任务时可以有效实现航空发动机过渡态多任务目标控制。

关键词： 手足口病模型   空间异质性   阈值动力学   Markov切换   接近最优控制  

摘要： 手足口病是由病原体引起的一种全球性传染病,因为病原多,传播范围广,所以时常发生.近些年来,重症型手足口病给孩童的健康带来了不良的影响,并且给国民经济造成了严重的损失.为了提供有效的控制和预防策略,通过建立数学模型来描述手足口病传播的内在机制,已被应用于手足口病的研究之中.为此,本文研究内容主要有以下两方面:1.研究具有反应-扩散的手足口病模型在有界空间域上的长期动力学行为,通过考虑手足口病的高传染性,建立了本文第二章要研究的模型.首先分析了该模型的适定性,证明了全局解的存在性,解的一致有界性,然后给出了基本再生数?0,并证明了它的动力学性质.最后利用Bellmans最优性原理,给出了Hamilton-Jacobi-Bellman方程,证明它解的存在性,通过数值仿真验证其结果.2.在带有Markov夫切换的随机手足口病模型中引入脉冲接种策略.研究随机手足口病系统的接近最优控制问题,其中目标函数为治疗手足口病中所需要的成本,根据伴随方程的估计,进一步给出接近最优控制的误差估计,利用Hamiltonian函数建立了接近最优控制存在的充分条件.基于随机极大值原理,证明接近最优控制存在的必要条件.通过数值算例验证其结果.

关键词： Cryogenic   current measurement   double pulse test   IGBT   MOSFET  

摘要： Cryogenic propulsion with hydrogen fuel cells replacing fossil fuels is a promising solution to cut carbon emissions in the aviation sector. Hydrogen will also be used for cooling the superconducting machines and power converter circuits. This article aims to test devices suitable for power electronic converters supplying a 1.6 MW superconducting machine. SiC MOSFET and Si IGBT modules with ratings of 1200 V and more than 450 A are selected to assess their performance at different temperatures. Four tests are conducted to determine: 1) the forward voltage drop, 2) the breakdown voltage, 3) the switching behavior, and 4) their operation with two modules in parallel. A bespoke current sensing rig has been developed that avoids the need to extend conductors outside the cryogenic zone in the switching losses measurement test. This configuration introduces minimal stray inductance into the circuit, which minimizes errors in the measurement. One of the aims of this article is to assess the suitability of different module technologies for SiC MOSFET and Si IGBTs in cryogenic applications. Six power modules (SiC MOSFETs and Si IGBTs) were evaluated at both room and cryogenic temperatures. Three of the modules employed conventional bond wire technology, while the other three utilized solid cover (SLC) technology that has no internal bond wires. It was found that the modules which employed SLC technology were the only ones able to survive the extreme temperatures. Following this, a comparison was made between the energy losses of the three SLC modules (two Si IGBTs and one SiC MOSFET) that were able to withstand low temperatures. The results indicated that the performance of the SiC MOSFET module worsens at cryogenic temperatures, whereas the performance of the Si IGBT modules improves with decreasing temperatures. Finally, an inverter simulation was conducted with each of the IGBT modules to estimate the efficiency.

关键词： 永磁同步电机   矢量控制   模糊PID   滑模观测器算法   后级反电动势观测器  

摘要： 永磁同步电机因工作效率高、控制性能优越等特点,被广泛应用于航天航空、工业控制、医疗设备和家用电器等领域。然而永磁同步电机是一个复杂的非线性系统,在运行过程中存在各种不确定扰动,影响其动态性能。因此开展先进的控制技术研究对提高永磁同步电机的性能指标和扩展其应用场景具有重要意义和工程价值。 由于传统滑模观测器算法在负载切换和受到外界扰动时存在抗扰动能力差、系统抖振严重的缺陷,本文利用模糊PID控制策略和改进滑模观测器算法来解决该问题。具体研究如下: 首先,以永磁同步电机为研究对象,介绍其数学模型以及坐标变换,简述矢量控制策略和空间矢量脉宽调制技术的工作原理。考虑到传统永磁同步电机矢量控制大多采用常规PID控制策略,存在超调量大、抗扰性差、稳定性不佳等缺点,导致电机转速波动较大。因此本文针对传统双闭环矢量控制系统的速度环设计了模糊PID控制策略,不仅能够增强系统抗扰动能力,而且还能解决控制器参数难调的问题。对上述模糊PID控制系统进行了仿真,并将其性能与传统的双闭环PID控制进行对比分析。仿真结果表明,所设计的模糊PID控制器能够有效抑制负载切换时产生的转速波动,减小系统超调量,增强抗扰动能力。 其次,利用滑模观测器算法简单、所需参数少、鲁棒性强等优点,将其用于位置信息反馈环来代替机械传感器,可从应用范围的角度来优化电机控制性能。然而传统滑模观测器算法存在较大的系统抖振,本文采用增设后级反电动势观测器的方法,解决相移问题,实现抖振抑制效果。同时,通过改变滑模面切换函数、构造变滑模增益系数状态方程以及设计归一化锁相环系统的方式进一步降低系统抖振现象。将模糊PID应用于速度环,改进滑模观测器算法应用于位置信息反馈环,在Matlab/Simulink仿真平台搭建了仿真模型并进行了对比分析。实验结果表明,所设计的改进系统不仅能够提升位置和速度信息观测精度,而且还能有效抑制系统抖振现象。 最后,以STM32F405RGT6为核心器件设计了永磁同步电机硬件实验平台,对比分析了电机位置曲线、相电流曲线、相电压曲线、反电动势曲线以及转速跟踪曲线,验证了所提出的由模糊PID控制策略和改进滑模观测器算法形成的无感控制系统的有效性和优异性。

关键词： IGBT   可靠性   寿命预测   温度循环   功率循环  

摘要： 随着电力电子技术的发展,绝缘栅双极型晶体管IGBT因其低损耗、低导通电阻和高开关速度等优点逐渐成为电力电子系统的核心部件。但在IGBT模块长期服役过程中,受器件内外部因素影响,会发生可靠性问题以及产生老化失效现象。有研究表明,50%的IGBT功率模块失效是由焊料层故障引起,而恶劣温度载荷、功率载荷对焊料层寿命影响最为显著,因此对功率器件焊料层失效机理、失效过程和可靠性问题进行研究显得尤为重要。本文设计了一种新型的碳化硅IGBT模块封装结构;基于ANSYS有限元分析软件,对IGBT模块可靠性进行仿真研究,分析不同材料焊料层对IGBT模块寿命的影响规律;探究不同类型、不同程度损伤的裂纹对IGBT模块结壳热阻的影响。本文主要工作归纳如下: (1)设计了一种新型的芯片曲线排布双桥臂双面散热碳化硅IGBT模块封装结构。基于工艺标准,设计了一种六因素(纳米银层厚度、Au Ge厚度、钼柱高度、芯片左右间距、芯片上下间距、散热底板厚度)五水平的正交试验;利用极差与方差法分析得到了影响试验指标(芯片结温)的因素主次为钼柱高度>散热底板厚度>芯片左右间距>芯片上下间距>纳米银层厚度>Au Ge厚度,确定了IGBT模块最优结构组合为纳米银层厚度0.13mm;Au Ge厚度0.1mm;钼柱高度4mm;芯片左右间距1.8mm;芯片上下间距2.8mm;散热底板厚度6mm。 (2)建立了双面散热碳化硅IGBT模块模型,利用ANSYS Workbench进行热-结构耦合仿真,分析模块在-65℃～+175℃温度循环载荷下的应力应变响应特性,确定危险焊料层位置;采用基于塑性应变的Coffin-Manson模型预测模块疲劳寿命;探究焊料层在三种不同封装方案下对IGBT模块疲劳寿命的影响。结果表明,采用纳米银作为焊料层与缓冲层的方案1寿命最长为1600.4h;焊料层为纳米银,缓冲层为Sn5Pb92.5Ag2.5的方案2寿命次之为1225.1h,寿命下降了23.5%;采用Sn5Pb92.5Ag2.5作为焊料层与缓冲层的方案3寿命最短为554.7h,寿命下降了65.3%。 (3)分析了IGBT模块在功率循环载荷下的热响应特性,采用改进的Lesit模型预测IGBT模块疲劳寿命,得到双面散热碳化硅IGBT模块功率循环疲劳寿命为5229.9cycles,即871.65h。基于裂纹扩展理论,利用ANSYS有限元软件探究焊料层边缘裂纹率对IGBT模块结壳热阻的影响。结果表明,当裂纹率为0%时,最高结温为151.99℃,裂纹率分别为2%、5%、7%、10%时,最高结温分别为152.82℃、154.92℃、162.8℃、171.24℃,对应的温度分别上升了0.55%、1.93%、7.11%、12.7%;且当裂纹率小于5%时,结壳热阻变化很小;当裂纹率大于5%时,结壳热阻随裂纹率增大呈指数增长。最后分析边缘裂纹、尖端裂纹、随机裂纹三种不同类型裂纹对IGBT模块结壳热阻的影响。研究表明,当裂纹率小于5%时,不同裂纹类型对其热阻的影响并不显著;当裂纹率大于5%时,尖端位置裂纹的IGBT模块结壳热阻骤然升高,随机裂纹次之,边缘裂纹变化最小,相比随机裂纹和边缘裂纹,尖端裂纹对IGBT模块结壳热阻影响最为显著。

关键词： PMSM   矢量控制   飞蛾扑火算法   双电机同步消隙  

摘要： 为使某防空火箭炮能够应对越来越复杂的使用场景,进一步提高其伺服控制系统的响应速度、控制精度以及鲁棒性。本文从永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor,缩写为PMSM)控制算法以及双电机消隙控制两个方面开展研究,并搭建了伺服控制试验台对设计的控制算法进行实验验证。本文主要内容如下:(1)对伺服控制系统进行建模,搭建了基于矢量控制策略的PMSM控制模型。(2)针对飞蛾扑火算法(MFO)的算法易早熟,计算后期收敛速度慢且易陷入局部最优等问题,将列维飞行策略以及遗传算法的交叉和突变运算引入传统MFO算法,提出一种新型的改进飞蛾扑火算法(IMFO),并对算法的寻优能力进行了仿真验证。将IMFO算法与传统PID控制相结合设计出一种基于IMFO-PID的PMSM三闭环控制器,并使用正弦与阶跃两种信号测试算法控制电机的位置追踪能力,对其进行了仿真验证。结果表明IMFO-PID控制器能够有效地提升PMSM矢量控制系统的精度以及鲁棒性。(3)针对伺服控制系统中普遍存在的非线性齿隙问题设计了一种双电机同步消隙控制策略,设计了双电机同步控制器和双电机消隙控制器,完成仿真验证。结果表明同步控制器与消隙控制器能够有效消除齿隙对系统造成的负面影响,提升系统的稳定性和同步性。(4)完成机械结构设计和电气元件的选型,设计并搭建了伺服控制试验系统。该实验台最大支持四台电机同时驱动,能够满足使负载惯量在电机输出惯量的最大五倍之内自由调节,并对上述仿真内容进行了对比实验验证。实验结果表明各个控制器均能有效的增强位置追踪的准确性同时提升系统的稳定性。

关键词： Insulated gate bipolar transistors   Junctions   Temperature sensors   Temperature measurement   Temperature   Germanium   Logic gates   High-frequency (HF) model   inductive element   insulated gate bipolar translator (IGBT)   junction temperature detection  

摘要： Accurate online junction temperature detection of high-power insulated gate bipolar transistor (IGBT) modules is necessary for the health management system of key equipment. The voltage rise time ( t(rv) )is a good temperature sensitive electrical parameter (TSEP), which is of great significance for its accurate online extraction. In this article, a novel IGBT junction temperature detection based on the high-frequency (HF) model of inductor element is proposed. First, the equivalent model of the inductor element in the application circuit at HF is demonstrated. Second, based on the HF model of the inductor element, it is proposed and verified that t(rv) in the IGBT turn-off process is consistent with the HF current pulse signal on the inductor element at HF, that is, t(rv) can be indirectly obtained by extracting the HF current pulse signal. Finally, the feasibility for voltage rise time extraction and junction temperature detection through HF isolation coil is verified by experiments and simulations. The research work in this article is helpful to the online junction temperature detection and has certain theoretical significance and practical engineering value.

关键词： Hilfer型分数阶微分包含   变分-半变分不等式   历史依赖算子   退化温和解   最优控制   灵敏度分析  

摘要： 微分变分不等式是由微分方程和变分不等式耦合而成的复杂系统,在物理、热力学和金融等领域有广泛研究.基于这一原因,本文研究两类在无穷维空间中Hilfer型分数阶微分变分不等式.全文具体安排如下:第一章,我们阐述分数阶微分变分不等式的研究背景、国内外研究现状和本文的主要工作.第二章,我们列出一些与函数空间、分数阶微积分、非紧性测度、算子半群、Clarke次微分和集值映射等有关的定义、引理和定理.第三章,我们考虑在自反可分Banach空间中涉及历史依赖算子的Hilfer型分数阶微分变分-半变分不等式.首先,通过凝聚多值映射的不动点定理,我们证明Hilfer型分数阶微分变分-半变分不等式温和解的存在性;其次,使用Hausdor f f非紧性测度的正则性证明Hilfer型分数阶微分变分-半变分不等式退化温和解的存在性.第四章,我们考虑在自反可分Banach空间中Hilfer型分数阶微分变分不等式.首先,我们运用Bohnenblust-Karlin不动点定理证明Hilfer型分数阶微分变分不等式的解集是非空和紧集;之后,讨论Hilfer型分数阶微分变分不等式的最优控制、适定性和灵敏度分析.最后,总结当前的工作和设想未来研究内容.

关键词： IGBT模块   IGBT电流预测模型   静态均流   动态均流   双脉冲测试平台  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)模块具有功率密度高的优点。IGBT模块耐压高达6.5 KV和标称电流高达750 A,满足大部分高压大功率应用的需求。IGBT模块被广泛应用于高铁、可再生能源和工业驱动等领域。然而,在一些高功率需求应用上,由于单个IGBT模块的电流容量无法满足设计需求,通常采用IGBT模块并联。IGBT模块并联应用中不均流的问题一直影响整个系统的稳定性,对IGBT模块并联均流影响参数以及均流方法的研究是非常有必要。本文的研究工作主要分为以下几部分:(1)首先详细讨论了IGBT的发展历程。分析了IGBT模块并联的发展现状以及存在的问题,其次研究了IGBT的基本结构以及工作原理。最后研究了搭建双脉冲测试平台的需求,为后续研究提供基础。(2)提出了一种基于栅极电荷的IGBT模块动态电流预测模型,建立IGBT模块的栅极电荷与IGBT模块动态电流的关系。对其动态电流预测模型进行实验验证,在结温为25℃时,开通瞬态电流预测模型在400 V和600 V测试电压下最大误差分别为4.52%和5.12%;关断瞬态电流预测模型在400 V和600 V测试电压下最大误差分别为3.78%和4.34%,误差均在允许范围内。在结温125℃下也能准确预测,验证了IGBT模块动态电流模型的可靠性。(3)提出了一种基于栅极电荷的IGBT模块静态电流预测模型,建立了IGBT模块的栅极电荷与IGBT模块静态电流的关系。建立了不受温度变化影响的跨导模型,减小了温度对静态电流预测的影响,对IGBT模块静态电流预测模型进行实验验证。在结温25℃时,其静态电流预测模型在400 V和600 V测试电压下最大误差分别为4.52%和5.12%,在误差允许范围内。在结温125℃下也能准确预测,验证了IGBT模块静态电流预测模型的准确性。(4)搭建了IGBT模块并联均流分析测试平台。首先通过实验对影响IGBT模块并联静态和动态均流的参数进行详细分析。其次,研究了IGBT模块并联均流控制策略,提出了栅极电压补偿、异步驱动信号补偿等方法,并进行实验验证,大幅度提升了IGBT并联均流度,提高了IGBT模块并联使用的可靠性。