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关键词： 步进电机   细分控制   硬件设计   矢量控制   全闭环控制  

摘要： 步进电机是一种由脉冲控制的特种电机,结构和运行原理与同步电机相似,可以将其当作低速永磁同步电机来使用,由于步进电机优越的性能,被广泛应用于工业和自动化领域,因此对步进电机的驱动控制技术进行研究具有重要意义。本文选择两相混合式步进电机作为研究对象,对其开环控制技术与闭环控制技术进行研究。步进电机开环控制的方式有很多,在所有的开环控制方式中,最为经典的是细分控制,但细分控制高度依赖于细分驱动芯片,近年来全球出现了一定程度的“芯片荒”,影响了国外细分驱动芯片厂商的生产,进而造成了国内细分驱动芯片一定程度上的短缺,因此细分驱动芯片的国产化替换方案迫在眉睫。针对细分驱动芯片国产化替代的需求,本文提出了一种主控模块+电流采集模块+驱动模块的替换方案,作为细分驱动芯片短缺时的备选方案。首先完成了硬件设计(包括原理图设计与PCB设计)和硬件的调试工作;其次完成了软件程序设计;最后进行了实验验证,利用自行设计的实验平台实现了对两相混合式步进电机的细分控制。步进电机闭环控制主要分为超前角控制和全闭环控制两种,超前角控制方式无法直接控制相绕组电流,转矩输出性能和动态性能一般。因此本文重点对全闭环控制进行研究:步进电机全闭环控制的第一种方式是在电机上安装光电编码器来采集转子的位置/速度信息,针对两相混合式步进电机在跟踪给定速度信号时易受系统不确定性等因素影响而导致的速度闭环系统控制精度会降低的问题,提出一种基于麻雀搜索算法的模糊神经网络滑模控制器(SSA-FNNSMC)。首先,在滑模控制(SMC)的基础上,利用模糊神经网络对滑控制器的等效控,制项与切换控制项进行模糊逼近;其次,采用麻雀搜索算法(SSA)代替自适应律对模糊神经网络的权值进行实时优化,最后通过仿真实验验证了所设计的基于麻雀搜索算法的模糊神经网络滑模控制器具有较强的鲁棒性和动态性能。步进电机全闭环控制的第二种方式是利用观测角对角度进行估计,即无传感器控制方式。本文对基于滑模观测器的两相混合式步进电机无传感器控制系统进行研究,针对传统滑模观测器中存在的抖振问题,提出一种新型滑模观测器。首先,通过引入新型幂次趋近律,解决了传统趋近律中趋近速度慢、抖振大等问题;其次,针对传统反正切函数会将滑模观测器中高频抖振扩大的问题,本文采用锁相环进行替代;最后通过仿真实验验证了本文设计的新型滑模观测器的优越性。

关键词： 双永磁同步电机   矢量控制   交叉耦合   滑模算法   趋近律  

摘要： 永磁同步电机因其成本低、效率高、运行可靠等优点而被广泛使用。在许多工业场合,需要双电机同步运行作为驱动源来满足功率需求,但双电机之间的同步性能关系到生产安全、生产效率和产品质量,因此对于提高双电机同步协调控制的动态性能和稳态性能的研究具有重要的工程价值。本文从提高单电机控制性能、确定双电机控制结构、设计双电机同步控制器三个方面的研究来提高双电机同步协调控制性能。工作内容如下:(1)阐述PMSM转子结构的特点,基于坐标变换的方法建立PMSM在同步旋转坐标系下的数学模型,结合数学模型介绍了矢量控制的原理及SVPWM算法的主要内容。(2)单电机矢量控制有电流控制环和转速控制环两个闭环反馈环节。通过建模与仿真结果判定传统的PI控制算法在控制精度上存在不足。为了提高单电机调速性能,在电流控制环引入DPC电流预测算法跟踪电流变化;在转速控制环设计由ESO观测的鲁棒滑模转速控制器,其采用了基于指数趋近律和幂次趋近律结合的新趋近律非奇异快速终端滑模算法。通过与PI算法的仿真对比验证了本文控制方法可以削减抖振、增强鲁棒性。(3)对主令控制、主从控制、交叉耦合控制的原理结构和数学模型进行分析得出它们各自的控制特点,最后通过在变转速、带载启动、突加不平衡负载三种工况下的仿真结果得出交叉耦合控制方式的同步性更好。(4)为了提高双电机同步性能,设计了基于新趋近律的幂次型非奇异快速终端滑模同步控制器来实现两台电机转速的误差补偿。为了验证本文设计的同步控制器的性能,引入四种其它同步控制器分别在带载启动和突加不平衡负载工况下进行仿真对比,分析证明本文设计同步控制器有效提高了双电机同步运行的鲁棒性能、响应速度、控制精度和稳态特性。

关键词： 随机线性二次最优控制问题   误差估计   Malliavin可微性   控制约束   倒向随机微分方程  

摘要： 控制带约束的随机线性二次最优控制问题在工程,金融等领域有重要应用,数值求解这类问题有重要的理论和现实意义.求解控制带约束的随机线性二次最优控制问题的方法之一是通过选取适当的离散格式将其离散化,通过求解离散化的随机规划问题获得最优控制的近似解.因此,建立最优控制的离散误差估计非常关键.本文主要研究控制带约束的随机线性二次最优控制问题的离散误差估计.具体内容包括:1)在控制系统扩散项不含控制的情况下,利用Euler差分格式将随机线性二次最优控制问题离散化,建立最优控制的离散误差估计,其中允许控制是随机的;2)在扩散项含控制但允许控制为确定性控制的情况下建立了最优控制的离散误差估计,其中允许控制与样本点无关.随机最优控制的一阶必要条件和随机微分方程解的估计是建立最优控制问题离散误差估计的两个主要工具.

关键词： 绝缘栅双极型晶体管   开启dV/dt可控性   串扰抑制   短路过冲   短路栅极振荡  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）作为光伏发电系统中逆变环节的核心器件,其本身的可靠性和损耗决定了系统长期运行的稳定性和能效。而光伏逆变器中的IGBT器件长期工作在启停温差极大的高压大电流的工况,这对IGBT在开关过程的可控性和极端应力情况下的稳定性提出了更高的要求。因此为保证系统安全稳定运行,需要在不牺牲损耗的前提下提高IGBT可靠性。本文以一款光伏用1200V/75A IGBT芯片为研究对象,通过实测、仿真、机理分析与部分流片验证相结合的方式,从IGBT本征结构出发对应用中存在的串扰和短路栅极异常现象展开研究,探究内在产生机理,并给出优化和改善方法。 首先,依托实习项目中成熟代工平台,设计开发并流片了一款TO-247 PLUS封装的1200V/75A IGBT单管。结合工艺参数、SEM图、SRP数据及实测静态特性对仿真模型进行校准,并利用Q3D提取封装寄生参数。搭建双脉冲测试平台对IGBT单管进行测试,并与校准后的仿真模型进行对比。为后文分析极限工况下IGBT内部载流子运动机理,探究微观结构差异对器件外特性的影响提供了途径。 然后,结合实测和仿真,明确IGBT本征结构的d Vce/dt可控性与桥臂正向串扰的关联。借助校准模型进行仿真,分析Cgc和Cge充放电行为、栅下电势变化以及不同阶段内部载流子行为,揭示Vce在米勒平台初期快速下降是由少子基区渡越延迟导致栅下空穴堆积引起,宏观表现为栅极负电容效应。建立关键开启阶段物理模型,量化结构参数对d Vce/dt的影响。并将该模型拓展至7代IGBT,提出具有工艺可行性、更优性能、更强开启d V/dt可控性的新结构。进一步的,依托1200V/75A IGBT的工程批流片,选择4片Wafer对基于上述理论的两种工艺解决方法进行验证。 最后,结合光伏逆变器拓扑,对桥式电路中常见短路模式和工作机理进行归纳。针对短路过冲失效,通过测试和仿真明确IGBT结构存在本征短路栅极过冲的倾向,揭示过冲的直接原因是电荷漂移速度对电场依赖性和正面准电导调制区的缓慢形成,基于仿真给出抑制短路过冲的解决方法;针对短路高频振荡,探究IGBT结构和回路寄生参数对振荡的影响,发现栅极振荡的起因是时变的漂移区电场对载流子分布的再调制,导致漂移区中非平衡载流子的反复存储和释放,进而被驱动和功率回路的寄生参数放大。结合机理研究和仿真,从工艺优化、版图设计以及正面结构设计的角度提出三种种可行方法抑制短路振荡,从而提高短路安全工作区（Short-Circuit Safe Operating Area,SCSOA）范围。

关键词： IGBT器件   正交试验   双面封装结构   风冷散热   液冷散热  

摘要： 绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）是智能电网、风力发电及电动汽车等清洁能源应用领域中的重要模块,随着这些行业的迅速发展,IGBT器件的设计研发与可靠性研究已经成为最重要的课题之一。研究表明,温度在电子元器件失效原因中占比高达55%,所以合理的热分析和热设计对IGBT模块的可靠性至关重要。为了满足碳化硅IGBT功率模块的散热要求,本文设计了一种新型的双面针翅封装结构,并基于传热学相关理论,通过有限元仿真和正交试验分析,对双面针翅封装结构进行了优化。根据优化得到的IGBT器件最优结构,设计了双面针翅强制风冷散热和双面水冷散热两种散热方案,以满足芯片结温150℃以下的设计指标。本文主要工作归纳如下: 1.设计了一种新型的双面散热高性能封装结构。以芯片结温为指标,选取了五个可优化的结构参数设计五因素四水平的正交试验,并基于ANSYS有限元软件对IGBT模块进行了温度场仿真。根据仿真结果分析了各个因素对芯片结温的影响,得到封装结构的理论最优组合。结果表明:散热底板厚度和钼柱高度对器件散热的影响较大,且随着散热底板厚度的增加和钼柱高度的减小,芯片结温降低。各因素的理论最优水平组合为纳米银浆厚度0.10mm,金锗厚度0.20mm,钼柱高度4mm,芯片左右间距2mm,散热底板厚度5mm。理论最优器件温度场仿真得到的芯片结温为264.75℃,比十六组正交试验中的芯片最低结温267.24℃降低了2.49℃。 2.基于理论最优封装结构,从两方面优化了IGBT模块的强制风冷散热方案,一方面是优化散热翅片结构,从三种翅片结构中（原矩形翅片、针肋翅片、空心矩形翅片）选择芯片结温最低的翅片结构;另一方面是增大风速,即增大对流换热系数,通过设置不同的对流换热系数,得到了不同风速下的芯片结温。结果表明:空心矩形翅片的散热效果最好,当对流换热系数增大到100W/（m2·℃）时,原矩形翅片理论最优器件的芯片结温为170.10℃,优化后空心矩形翅片理论最优器件的芯片结温为98.70℃,比原矩形翅片降低了71.4℃,降幅约为41.98%。 3.基于多物理场耦合仿真软件COMSOL的流固耦合仿真模块,设计了一种带总流道和二级流道的微流道冷板结构。选取了冷板中三个可优化因素设计了三因素三水平正交试验,分析了不同因素对芯片结温的影响,得到了冷板的最优结构。结果表明:随着微流道宽度、二级入水口数量和入水口直径的增大,芯片结温均先减小后增大。各因素的理论最优水平组合为微流道宽度0.49mm,二级入水口数量9个,入水口直径3.4mm。理论最优结构流固耦合仿真得到的芯片结温为67.6℃,比九组正交试验中的芯片最低结温68℃降低了0.4℃。 4.考虑到功率模块的实际使用场景,选取BL Series微泵,确定微泵安装方案,并对安装微泵后的水冷散热结构进行了流固耦合仿真,得到该水冷方案的芯片最终结温。结果表明:微泵安装会增加流体流动的沿程阻力,导致芯片结温升高,芯片最终结温为80.6℃。

关键词： 网络化控制系统   事件触发机制   控制约束   最优控制   分布式控制   最终一致有界  

摘要： 网络化控制系统作为工业领域中重要的基础设施,已深入到经济、文化、政治和社会等各个领域。在加快社会发展进程的同时,也极大提高了人类的生活和工作质量。随着网络技术的飞速发展,网络化系统结构愈发复杂多变,其应用领域也在发生着翻天覆地的变化。在网络化系统中,其数据的有效传输常常依赖于网络中的有限带宽,但是在系统趋于稳定的过程中,其传输的数据有一部分具有较高的相似性。因此,为了减少这种不必要的相似数据传输,相关学者开始设计合理有效的通信协议来大幅提高网络带宽的利用率;此外在控制方法设计层面,如何采取最优的控制策略使系统能够以最小成本达到最终稳定,也是相关控制领域内研究的热点话题。基于此,本文主要研究内容如下:本文首先研究了一类非线性网络化控制系统(NCS)在网络带宽有限和受外界扰动情况下的最优跟踪控制问题。针对给定的NCS系统模型和参考跟踪系统模型,其所研究的最优跟踪控制问题被转化为成本最优化问题。然后引入用于节约带宽的事件触发机制,结合贝尔曼最优化理论,将优化问题转化为基于事件触发的Hamilton-Jacobi-Isaac(HJI)方程的求解问题,并由此得出控制信号的更新策略。随后本文证明了在所设计的最优控制和干扰策略下,目标系统可以达到最终一致有界(UUB)意义上的稳定性。并且区别于现有研究成果的是,本文中设计的干扰策略可以周期性地变化,而控制策略只能在事件触发的瞬间更新。此外,本文还提出了一种基于强化学习(RL)的算法来求解HJI方程的数值解,从而解决所研究的跟踪控制问题。并且通过理论分析和仿真,最终证明了算法的有效性。针对一类受控制约束和通信资源约束的非线性网络化互联系统(NIS),本文通过设计基于策略迭代和自适应事件触发机制的学习算法实现了其最优成本下的分布式控制问题。首先将整个NIS的分布式最优控制问题转化为对应标称子系统的N个最优控制问题;然后通过运用最优控制理论,结合所建立的成本函数和用于合理调度数据传输的自适应事件触发机制(AETM),进一步得出事件触发下的HJI方程与控制策略的更新法则,并在此基础上保证了NIS的UUB稳定性能。此外,本文还提出了一种基于RL的事件触发最优控制算法,并利用Actor-Critic神经网络的近似逼近原理,用以获取HJI方程的数值解,同时基于李雅普诺夫稳定性定理证明了该算法下标称子系统的UUB稳定性。最后,通过仿真实验验证了所设计的基于RL的迭代控制算法的有效性。

关键词： 离散时间非线性随机系统   马尔可夫过程   最优控制   最大值原理  

摘要： 本文研究了由马尔可夫过程驱动的离散时间非线性随机最优控制问题的最大值原理，以及由马尔可夫过程驱动的离散时间随机线性二次最优控制问题，旨在进一步完善随机最优控制问题的理论及应用成果。本文具体安排如下:　　首先，介绍了一个由马尔可夫过程驱动的离散时间随机系统的线性二次最优控制问题，证明了该线性二次最优控制问题的适定性和可达性是等价的。在此基础上，引入了一个Riccati方程，证明了它的可解性对线性二次最优控制问题最优控制的存在是必要且充分的，而且所有最优控制的集合都是根据Riccati方程的解来确定的。然后，通过具体例子证明了理论的有效性。　　其次，对于马尔可夫过程驱动的离散时间非线性随机系统，结合条件期望的平滑性和马尔可夫过程的性质，引入了具有自适应解的倒向随机差分方程，基于针状变分法，利用倒向随机差分方程刻画的伴随方程，得到了马尔可夫过程驱动的离散时间非线性随机系统最优控制的最大值原理。此外，通过引入Lyapunov辅助函数，获得了该最优控制问题的充分条件，并推导出系统最优控制问题的Hamilton-Jacobi-Bellman方程。　　最后，通过几个例子证明了最大值原理的有效性，同时也验证了马尔可夫过程驱动的离散时间随机系统的线性二次最优控制问题的最大值原理的实用性和有效性。

关键词： Maxwell方程   最优控制   非协调有限元逼近法   收敛性   误差估计  

摘要： 最优控制问题在许多工程领域中有着广泛应用，比如大气污染控制，温度控制，石油开采，图像处理等领域.由于很多最优控制问题的计算规模十分巨大,对于求解速度的要求很高,所以研究其高精度数值算法就显得尤为重要.实际上,非协调元在大规模并行计算中具有明显优势.Maxwell方程是电磁学领域中非常重要的方程，被广泛的应用于电磁波，光通讯等领域.本论文主要研究定常/非定常Maxwell方程最优控制问题的非协调有限元逼近方法.本文主要内容如下:　　第一部分针对定常Maxwell方程最优控制问题.基于Irwin Yousept用Nedelec元来逼近控制变量,状态变量与伴随状态变量的研究，本文第三章中对控制变量用分片常数元逼近，状态变量与伴随状态变量用非协调元近似,得到收敛性结果.同时，通过一些数值算例验证其理论分析的正确性.　　第二部分针对非定常Maxwell方程最优控制问题.首先推导一阶最优化条件,其次对时间变量采用差分离散，对控制变量采用分片线性元逼近,对状态变量及伴随状态变量采用非协调元逼近.最后得到了最优误差估计结果，并用数值算例验证其理论分析的正确性.

关键词： COVID-19   环境病毒   隔离   数据拟合   最优控制  

摘要： 近年来,新冠肺炎传染病在全球肆虐,其传染性极强,传播速度极快,传播范围极广,人类感染后会出现各种症状,导致身体和心理受到不同程度的伤害.传染病的扩散有三个必要条件:传染源、传播途径以及易感者.因此,遏制新冠肺炎的传播除了控制传染源头,保护易感人群,还要控制人传人和病毒在环境中的传播途径.本文基于新冠肺炎传播的多种途径,建立数学模型,对模型进行动力学分析、数值模拟、最优控制等,提出合理的应对措施,有助于缓解新冠肺炎疫情的发展.第二章引入环境中的病毒项,建立了SEIRW新冠肺炎传染病动力学模型,通过下一代矩阵法计算了模型的基本再生数,利用Hurwitz判据和矩阵理论分析了平衡点的稳定性,且运用庞特里亚金极大值原理研究了应对新冠肺炎的最优控制策略.此外,利用数值模拟对理论研究进行了验证,应用偏序相关系数进行了参数敏感性分析,并对早期报告的全国确诊病例的数据进行了拟合,说明不考虑环境病毒会低估染病人数.因此我们建议政府部门加强环境清洁力度,建议公众提高自我防护意识.第三章考虑我国采取隔离的系列措施对控制疫情有十分关键的作用,在第二章的基础上加入了隔离仓室,构建了SEIQRW模型,计算了基本再生数,对平衡点进行了稳定性分析.敏感性分析表明人际传染率和环境病毒传染率均与基本再生数呈正相关,数据拟合和数值模拟验证了理论结果的正确性,最优控制策略为疫情防控政策提供了理论依据.本章有力地说明了隔离管控染病者,及时对污染环境进行消杀可有效降低感染率,减缓新冠肺炎的蔓延.最后一章总结回顾全文,思考不足之处,提出了对后续工作的展望.

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。