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关键词： IGBT   Circular thermal diffusion boundary   Cauer model   Parameter extraction  

摘要： Considering the change of working conditions, the calculation of thermal resistance and thermal capacity with the fixed shape of heat conduction area will result in a large calculation error for junction temperature of the Cauer model. Based on the conventional Cauer model, a circular heat conduction area is chosen to calculate the thermal resistance and thermal capacity in this manuscript, which avoids the inaccurate calculation of heat conduction area under different working conditions by the fixed heat diffusion angle method. In addition, a few fiber grating sensors are arranged on the baseplate to track the selected isotherm in real time, and update the isotherm as the thermal diffusion boundary according to the simulation rule. Furthermore, accurate thermal resistance and thermal capacity values are calculated online according to the circular heat conduction area that its boundary is the selected isotherm. Finally, the correction of the Cauer model with real-time updated thermal resistance and thermal capacity can calculate a more accurate junction temperature.

关键词： Average temperature   Insulated gate bipolar transistor   IGBT   Maximum temperature   Temperature distribution   Temperature uniformity  

摘要： Following improvements in their operating voltage levels, insulated gate bipolar transistors (IGBTs) are largely packaged using parallel packaging processes. However, these processes introduce an uneven temperature dis-tribution problem, regardless of whether pressed or welded packaging is used. In this paper, the temperature inhomogeneity of IGBT modules under various test conditions is studied using a thermography camera. The temperature uniformity is determined for each chip using the difference between its maximum and average temperatures. IGBT module temperature uniformity is evaluated using the difference between the highest temperature and the average temperature of three chips. Experimental results show that when the current level increases, the overall IGBT module temperature also increases. The temperatures of both the module and the chip become increasingly uneven. The temperature of the module shows a Gaussian mode distribution. The positional and discrete parameters of the Gaussian distribution increase with increasing current. As the ambient temper-ature increases, the temperature inhomogeneity in each IGBT chip increases, but this trend is not dramatic. When the current on-time increases, the temperature distributions of the three IGBT chips and the module gradually become nonuniform.

关键词： COVID-19网络流行病模型   环境传播途径   接种影响   全局稳定性   最优控制  

摘要： 本文建立了一个带有环境传播途径和接种影响的COVID-19网络流行病模型.首先，基本再生数R0作为一个尖锐的阈值被证明，这意味着当R0＜1时，无病平衡点是全局渐近稳定的，当R0＞1时，它是不稳定的.同时我们也讨论了环境传播途径与人口异质性对R0的影响.当R0＞1时，我们通过构造合适的Lyapunov函数证明了地方病平衡点是全局渐近稳定的.其次，我们分析了四种控制策略，包括疫苗接种,隔离，环境消杀和减少病原体的脱落，并计算了相应的目标再生数.在此基础上，我们提出了一个基于上述控制策略的最优控制问题，然后利用Pontriagin极大值原理验证了该问题最优解的存在性并找到了这个最优解.最后，我们对理论结果进行了验证，并通过数值模拟给出了最优控制方案中感染个体与控制费用之间的权重比的边界.模拟的结果表明,最优控制策略能够有效减缓COVID-19的传播.此外，我们亦通过数值模拟总结出环境传播途径，接种疫苗和人口异质性对COVID-19的重要影响.

关键词： 反问题   抛物型方程   时间分数阶扩散方程   最优控制   Tikhonov正则化  

摘要： 反问题在航空航天、医学成像、生物传热等多个领域具有重要应用.在经典意义下其往往是不适定的,这也成为我们研究的难点之一.本文主要研究在生物传热背景下的两类系数反演问题,我们将利用不同的附加条件同时反演与空间相关的灌注系数和初始温度.当前,热疗技术迅速发展,血液灌注率对生物组织内温度分布有重要影响.此外,在许多相关应用中,扩散过程的初始温度也是未知的.因此,在这个框架下,我们讨论二维线性二阶抛物型方程和时间分数阶扩散方程的系数重构问题,该问题的现实意义不言而喻.本论文的主要内容如下:第一章主要介绍了反问题的基本情况,以及基于生物传热背景的研究现状,最后介绍了本文的主要工作.第二章主要在生物传热背景下,研究了一类利用附加条件重构二维线性二阶抛物型方程灌注系数和初始温度的反问题.与其他文献不同,本章研究的是非局部和对流边界条件,更为困难和复杂.基于最优控制理论,构造了包含两个独立变量和两个独立正则化参数的二元泛函,将原问题转化为一个优化问题,讨论了最优解的存在性和所满足的必要条件.由于控制泛函是非凸的,不存在全局唯一解,此时假设终端时间T相对较小,可以成功推导出极小元的唯一性和稳定性.第三章主要研究了一类利用附加条件重构时间分数阶扩散方程中灌注系数和初始温度的反问题.此时附加条件并非通常意义下的终端观测值,而是两个带有线性无关的权重函数的积分型观测数据.首先我们证明了一类弱形式的正问题解的存在唯一性.其次由于反问题是不适定的,利用Tikhonov正则化方法将原问题转化为变分问题,再利用观测数据及先验估计,构造了相应的极小化严格凸泛函,给出了变分问题正则解的存在性、稳定性和收敛性.第四章对本文工作的结论和不足进行了简单总结,并对后续工作做了进一步展望.

关键词： 永磁直线同步电机(PMLSM)   反电势积分法   状态切换   矢量控制   无位置传感器控制   磁链中值法  

摘要： 永磁直线同步电机(Permanent Magnet Linear Synchronous Machine,PMLSM)具有结构简单、高加速度、高效率、高功率因数、高推力密度、高定位精度和可控性好等优点,PMLSM被越来越多地应用于工业加工领域的高速物流线与柔性自动化产线等长行程设备。目前针对无位置传感器控制的长行程垂直运动PMLSM的研究较少,其特点是需要保障带位能性负载的可靠起动,因此本文主要研究垂直运动PMLSM的无位置传感器控制方法。 本文综述了PMLSM和无位置传感器控制的国内外相关文献,阐述了PMLSM数学模型、矢量控制方法和空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)技术,在此基础上,主要完成了以下工作: (1)对比分析了现有无位置传感器控制策略的优缺点,根据垂直运动表贴式PMLSM带位能性负载起动的需求,提出了一种采用结合IF控制与反电势积分法的无位置传感器控制策略。 (2)基于Matlab/Simulink搭建了所提出的结合IF控制与反电势积分法的无位置传感器控制系统仿真模型,仿真分析了运行性能及控制参数的影响。首先分析了低速域观测磁链的漂移问题,提出了采用磁链中值抵消漂移的方法;其次分析了开闭环切换时状态切换角对运行性能的影响,得到了适用的状态切换角;然后分析了电阻/电感参数与电压调节速率对运行性能的影响;最后仿真了不同负载时的运行性能,验证了算法的带载能力。 (3)搭建了垂直运行的表贴式PMLSM实验平台,完成了硬件与软件系统的设计,基于该平台进行了算法测试。在频率3Hz时,利用仿真求得的状态切换角,PMLSM开环起动后平稳切换到了闭环,进入闭环后若出现一定范围内的负载突变或参考速度突变也能够快速跟踪,实现了PMLSM的无位置传感器控制。同时,测试了电阻/电感参数与电压调节速率对算法的影响。最后,测试了PMLSM带不同位能性负载时的垂直运行性能,验证了所提出算法的有效性。

关键词： 九相永磁同步电机   开绕组   谐波电流   矢量控制   锁相环  

摘要： 开绕组拓扑有着更高的输出功率、更灵活的电源选取模式、以及更多样的输出电平组合,在多相电机领域得到广泛的应用。多相开绕组永磁同步电机为提高基波利用率,定子多采用集中整距绕组,然而,在电机采用整距集中定子绕组结构下,其受谐波反电势以及逆变器非线性因素的影响,绕组中存在较大的谐波电流,而这些谐波电流严重影响电机的正常运行。为解决多相控制系统谐波电流含量大的问题,以降低谐波电流对电机性能的影响,最终提出合理有效的谐波电流抑制策略,本文以舰船大容量多相永磁同步电机为研究目标,具体以九相开绕组永磁同步电机为研究对象,从逆变器与电机两方面出发,研究谐波电流对电机运行的影响并对谐波源进行了分析。首先分析了双极性SPWM调制以及倍频单极性SPWM调制下全桥逆变器的谐波电压输出情况。建立了不同调制方式下逆变器非线性因素对输出电压的影响,并根据电机d-q坐标系中的数学模型,分析了电机反电势谐波分量对谐波电流产生的影响。基于逆变器以及电机输出电压的谐波特性,结合坐标变换式锁相环,提出了一种改进的谐波电流抑制策略。通过坐标变换式锁相环(SRF-PLL)追踪逆变器因各种非线性因素输出的谐波电压,结合电机反电势对谐波电流闭环控制进行前馈补偿,并将该前馈补偿应用到了基于准比例谐振(QPR)控制器的谐波电流闭环控制当中。运用Bode图对SRF-PLL以及QPR控制器的幅频特性进行了分析,确认添加低通滤波器的SRFPLL可对开关频电压分量进行有效的抑制,并为QPR控制器控制参数的整定确定了方向。最终,由仿真与实验结果验证了上述理论分析的正确性,以及谐波电流抑制方法的有效性。

关键词： 改进鸡群优化算法   三相异步电机   矢量控制   预测控制  

摘要： 鸡群优化算法(Chicken Swarm Optimization,CSO)因其具有全局搜索能力强、收敛速度快等优点被广泛应用到控制优化领域,但CSO算法本身还存在收敛精度低、易于陷入局部最优解等缺点。为了解决CSO算法的不足,提出一种基于Tent混沌映射的改进鸡群优化算法(Enhanced Chicken Swarm Optimization,ECSO)。本文以三相异步电机调速系统为研究对象,将ECSO算法应用到速度环参数整定中,以使其性能最佳。针对三相异步电机调速系统的局限性,提出一种基于ECSO-PID和预测控制的复合控制策略。首先,针对鸡群优化算法在迭代后期存在收敛精度低、易于陷入局部最优解等问题,提出了四点改进:(1)为了保证鸡群的多样性引入Tent初始化鸡群;(2)为了提升算法的收敛精度,改进鸡群位置更新公式;(3)针对鸡群算法在迭代后期更新速度慢,引入动态等级更新参数G,以提升算法性能;(4)针对个体越界行为,进行变异处理,提升鸡群优化算法的全局寻优能力。其次,将改进鸡群优化算法应用到不同阶数的PID控制系统中进行参数整定,并与临界比例度法、衰减曲线法、粒子群参数整定方法进行仿真对比;在基于矢量控制的三相异步电机系统中引入ECSO算法,将ECSO算法整定好的参数与人工调试方法进行比较,证明了ECSO算法具有良好的寻优性能。再次,针对ECSO在三相异步电机调速系统参数整定中的不足,提出一种复合控制策略。在该控制策略中,使用ECSO算法整定整定数度环参数,电流环则依据预测控制思想设计。将复合控制的仿真结果与人工调速、ECSO算法整定的结果进行对比,证明了复合控制策略具有更好的动态性能。最后,在MATLAB/Simunlink中搭建三相异步电机仿真模型,仿真验证了ECSO算法在整定三相异步电机调速系统控制参数的可行性;利用x PC模式的电力电子实物装置进行实验,实验验证了ECSO算法整定电机调速系统参数的准确性。

关键词： 混合整数最优控制   油田化学驱   分布参数系统建模   自触发控制   多目标优化  

摘要： 化学驱是油田开发的一项重要三次采油技术,包括碱驱、表面活性剂驱、聚合物驱以及它们混合组成的二元或多元驱替剂,利用化学驱的驱油特性可以有效提高原油采收率。而化学驱油优化技术是指以最大经济效益或最大产油量为性能指标,依据驱油机理或现场数据,在注采条件限制内规划最优驱替剂的注入方案。然而,目前有关化学驱优化的研究大都聚焦某单一油井的化学驱注入策略,忽视了对多油井工作状态的调度优化,这导致化学驱利用率的降低,既增加了开发成本,又会因驱替剂的过量注入而造成环境污染。因此,实现油井工作状态与化学驱注入策略的同步动态优化,充分发挥化学驱效用,进一步提高开采利润,是该领域亟待解决的关键问题。针对这一实际开发需求,本文拟开展“基于混合整数最优控制的油田化学驱优化研究”,将待解决问题描述为一个混合整数最优控制问题(Mixed-Integer Optimal Control Problem,MIOCP),其中驱替剂的注入浓度为连续控制变量;多油井的工作状态为二进制整数控制变量;最小产出液含水率、最大净现值(Net Present Value,NPV)等为目标泛函,驱油过程动态为支配方程,驱替剂注入能力约束与油井状态限制为约束条件。相应地,高效、高精度的MIOCP数值求解方法、驱油过程中不确定因素及机理模型不确定等情况的处理方法,是本文的研究重点。具体工作与创新点如下:第一、对于以机理知识构建动态方程的连续时间化学驱MIOCP,提出 了扩展多区间 LGR(Extended Multi-interval Legendre-Gauss-Radau,EMLGR)伪谱法实现高精度、高效率离散数值求解。针对现存LGR伪谱法求解MIOCP可能存在的Lavrentiev现象及切换时间过长的缺陷,EMLGR在多区间交点处设计增广的控制变量及约束,改进MIOCP解中非光滑性位置的近似值,并设计了自适应配置器来自主优化多项式阶数与区间结构,从而提高求解精度。五个工程中的MIOCP与岩心实验聚合物驱案例仿真测试验证了 EMLGR在计算效率与离散精度上的优越性。第二、考虑化学驱机理模型泛化能力低、不确定地质参数多的缺点,结合油藏分布参数系统(Distributed Parameter System,DPS)的时空特性,提出基于数据驱动的化学驱DPS在线时空建模方法。它包括增量秩分解(Incremental Rank Decomposition,IRD)算法和在线最小二乘支持向量机(Online Least Squares Support Vector Machine,O-LS-SVM)算法两部分,分别用于辨识多传感器之间的空间动态与系统时域动态,并通过时空结合手段来预测产出井输出。其主要优势在于:可自主进化的维度嵌入式空间主导基函数(Spatial Dominant Basis Function,SDBF)突破了现存 DPS建模方法在高空间维度、强时变DPS建模中映射失真、建模复杂度膨胀的局限性,这是首次报道的考虑空间传感器耦合关系的三维DPS在线建模研究。第三、驱油方案优化的关键是求解大规模多区间混合整数非线性规划(Mixed-Integer NonLinear Programming,MINLP),而 MINLP 本身是一个计算复杂度随整数决策规模增大呈指数级增长的NP-难问题。针对常规混合整数优化算法计算效率慢、难以全局寻优的不足,提出了QA-DESS算法实现大规模化学驱MINLP的高效全局优化求解,其中参数自调节量子退火(Quantum Annealing,QA)优化器用于整数寻优;双精英螺旋搜索(Double-Elite Spiral Search,DESS)优化器负责求解连续决策优化;两个优化器交互式并行搜索解空间。相关的计算复杂度分析及全局最优性证明验证了 QA-DESS在收敛速度与全局收敛性上具有较强的竞争力。第四、围绕驱油过程中不确定信息处理、多性能指标优化的工艺需求,研究不确定多目标化学驱MINLP的高效求解方法。具体地,针对不确定参数分布特征已知的情况,提出基于机会约束规划(Chance Constrained Programming,CCP)的不确定MINLP求解方法;针对分布特征未知只能用区间数描的情况,提出基于区间可信度的区间规划(Interval Programming,IP)方法,为区间适应度函数估值与优秀个体筛选提供支持。对于多目标的化学驱区间多目标混合整数非线性规划(Interval Multi-objective Mixed-Integer NonLinear Programming,IMOMINLP)求解,设计了多目标多集群优选解筛选(Preferred solution Selected Multiple Colony for Mu

关键词： 平均场   正倒向随机微分方程   最优控制   随机最大值原理   传染病   分室模型   生存性   状态约束  

摘要： Pardoux和Peng[73]在1990年首次引入了非线性经典倒向随机微分方程(简称BSDE),并且在Lipschitz假设下证明了非线性BSDE解的存在唯一性。由于他们的开创性工作,BSDE理论得到了迅速的发展,这也得益于它在随机控制、金融和二阶偏微分方程理论等方面的大量应用。对于随机控制问题,随机最大值原理(简称SMP)和Bellman动态规划原理(简称DPP)都是研究最优控制策略的重要方法。关于Bellman动态规划原理的研究,我们可以参考[41]和其中的参考文献。关于随机最大值原理的研究,可以参见,例如,Hu[45]研究了控制状态空间非凸的随机递归最优控制问题,Zhang,Li和Xiong[93]研究了具有部分观测信息的最优控制问题,Wu[87]讨论了具有凸控制状态空间的完全耦合的正倒向随机微分方程(简称FBSDE)的随机控制问题。与此同时,FBSDE理论的研究也在迅速发展,吸引了大量的研究人员,可以参见[6,48,65,74,92].自从Kac[50]在1956年引入了平均场随机微分方程,也称为Mckean-Vlasov方程,平均场问题得到了众多学者的关注。Buckdahn,Djehiche,Li和Peng[18]引入了平均场倒向随机微分方程(简称mean-field BSDE),有关平均场BSDE的更多性质,请参阅[18,58,27].并且,已经有一些研究工作致力于研究平均场型的SMP。例如,Buckdahn,Li和Ma[19]研究了系数依赖于状态过程与其分布的一般平均场随机微分方程(简称mean-field SDE)的最优控制问题,更多的文献可以参见Li[61],Buckdahn,Chen和Li[16],Buckdahn,Djehiche,Li[17]等。随着最优控制理论在生物数学方面的研究不断深入,近年来公众对于健康的更加重视与现代医疗技术的迅速发展,受控传染病分室模型的研究也越来越受到关注。分室模型和与其动力学相关的控制问题已经被广泛研究了几十年,例如[4,9,40,69].一些研究应用最优控制理论,将干预作为控制变量,降低SIR模型的有效传输率,并研究了基于固定有限时域或无限时域内运行和终端成本的最优策略,如Alvarez,Argente和Lippi[1]研究了 SIR模型的一个最小化封锁成本和最佳封锁政策的问题,更多的文献可见[14,37,53,54].最近的贡献集中在具有由重症监护病房(简称ICU)的流动性限制带来的状态约束的情形,试图将屏障理论或生存性理论工具与最优控制问题相结合,使[2](生存性相关技术)、[35]或[81](障碍技术)和一般的研究过程中的“安全”问题统一起来成为研究对象。基于对最优控制以及相关内容的了解,本文主要讨论了两个重要的最优控制问题。第一部分即在第二章讨论了一类平均场耦合正倒向随机微分方程(简称MFFBSDE)及其最优控制问题。在一定的单调性条件下,给出了这类MFFBSDE解的存在性与唯一性定理。在此基础上,讨论了控制域为凸时平均场耦合FBSDE的随机最优控制问题,研究了 Pontryagin最大值原理。我们的方程是更一般的平均场类型,系数不仅依赖于当前时刻的受控解过程(Xt,Yt,Zt),而且还取决于解过程和控制过程(X,Y,v)轨道的分布。并且得到了一个新的变分不等式与相应的Hamilton函数。第二部分即在第三章研究了传染病分室模型的安全域(与生存域)的刻画和最优控制问题。构建了处理受控分室模型的统一理论结构,给出刻画生存域、求解最优控制的一个有效思路,并且着重研究了在传染病死亡和自然死亡均发生的假设下,具有时变人口的SIRD+模型生存域的刻画。基于真实数据进行了案例研究。最后采用粘性方法证明了非药物干预策略(也称之为“贪婪”策略)的最优性。下面我们将进一步阐述本论文的内容和结构。第一章给出了第二章至第三章研究的研究背景及其主要问题。第二章讨论了一类平均场耦合正倒向随机微分方程及其最优控制问题。首先在对于分布仅有连续性的假设下,利用Malliavin导数与Schauder不动点定理证明了定理2.2.1即平均场FBSDE(2.2.2)解的存在性定理,并得到了一类特殊的平均场FBSDE(2.2.25)解的唯一性(定理2.2.2).其次,给出了相应函数空间中关于测度导数的定义,即定义2.3.2,将欧氏空间中关于分布的求导推广到一般的Banach空间。最后,研究了具有凸控制域的受控平均场FBSDE(2.4.1)的最优控制问题,受控系统的系数不仅取决于当前时刻t的解过程(Xt,Yt,Zt),而且还依赖于解过程(X,Y)及控制过程v轨道的分布,由此解(X,Y,Z)是受控的。在相应的假设条件下,证明了相关方程解的存在性和唯一性,而后推导出了本章最重要的研究结果,平均场类型的随机最

关键词： 电流馈电型变换器   移相控制   效率优化   多模态   非对称匝比  

摘要： 在着力推动能源绿色低碳变革的大环境下,电力电子设备与电网技术的融合是能源转型过程中尤为关键的环节。然而,在高可再生能源参与度水平下,分布式电源输出的不稳定可能对电网的运行造成严重的后果。电流馈电型双向DC-DC变换器以其低电流纹波、高电压增益及电流可控等优势,有效提高了分布式电源参与下直流母线系统的运行可靠性和高效性。 为抑制电流馈电型双向DC-DC变换器低压侧开关管的电压尖峰,实现变换器电流之间的匹配,提高变换器的运行效率,研究了一种多模态的自然钳位电流馈电型双向DC-DC变换器。分析了变换器在正常模态、高电压增益模态、高传输功率模态下的工作原理和波形;建立了电压增益、传输功率、漏感电流以及软开关范围等性能指标与移相参数、变压器匝数比和漏感值大小等变量参数的关系式;搭建了变换器的损耗模型,并以变换器损耗最小为目标,确定了单个模态下变换器移相参数的最优设计方案;基于变换器最优移相参数的解析模型,设计了变换器的单模态闭环调制方案。仿真和实验结果表明:通过复合移相调制,变换器在三种模态下均可抑制开关管的电压尖峰和实现软开关;使用最优移相参数运行可以有效提高变换器的运行效率。 为确定变换器的最优工作模态,实现变换器在不同工况下的高效运行,研究了变换器在三种模态下的运行特性。划分了各模态的工作空间范围,确定了各模态的最优运行区间。仿真和实验结果表明:变换器在最优模态下及最优移相参数下运行,可以有效降低电路整体损耗,优化提升系统的效率。 为拓宽变换器的工作空间,研究了变压器匝比非对称设计模型的工作机理,实现了对变压器匝比非对称设计模型的性能评估。分析了在三种模态下,变压器非对称设计模型的工作波形;综合对比了变压器非对称设计模型的运行范围、成本模型及损耗模型。仿真和实验结果表明:变压器匝比在不同的非对称条件下,工作特性具有不同的优势,合理设置双变压器之间的匝比关系,可以改善变换器的综合性能。