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关键词： 永磁同步电机   新型滑模控制   RBF神经网络   模型参考自适应  

摘要： 近年来,战略性新兴产业得到了快速发展,发展高效的电机控制系统是其中不可或缺的关键一环。永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)因其易于维护保养、结构紧凑、能量转换效率高等优点,是电动汽车、机器人设备等控制系统中的核心部件。传统的直接转矩控制(Direct Torque Control,DTC)采用比例积分(PI)的调速策略,系统在运行过程中易受外部扰动、系统参数变化和摩擦力等非重复扰动的影响而难以满足对电机控制性能要求比较高的领域。因此,设计有效的控制方法十分重要。本文以PMSM为研究对象,并以直接转矩控制作为基本控制策略,采用滑模控制和无传感器控制方法。本文的主要研究内容包括以下三个部分:(1)针对PMSM直接转矩控制系统中存在转矩脉动的问题,搭建了PMSM数学模型。采用空间矢量脉宽调制技术,引入滑模控制并设计了滑模控制器来代替PI控制器。仿真结果表明,改进控制系统可以有效地削弱转矩脉动。(2)为了进一步削弱转矩脉动及减少系统的总扰动对控制性能的影响,提出了一种基于跟踪微分器和RBF神经网络的新型滑模控制方法。首先,将状态变量加入到传统指数趋近律中得到一种新型混合趋近律,理论分析可以使系统更快地收敛到平衡点并削弱抖振现象,并以此设计了滑模速度控制器;然后,设计跟踪微分器估计给定转速信号及其微分信号,以此来实现新型滑模控制;最后,利用RBF神经网络来逼近系统的不确定性扰动。仿真结果表明,在突变转速及负载时,该控制方法具有较好的鲁棒性能和跟踪能力。(3)为了解决传统控制系统中机械传感器造成系统复杂、成本高及在极端工况下效果不好的问题,采用模型参考自适应方法估计转速;然后为了进一步提高估计性能,引入自抗扰控制理论中三段式的fal函数提出一种新型参数自适应律。仿真结果表明,模型参考自适应方法可以对转速进行有效估计。在引入fal函数后,该系统具有更好的估计效果。本文通过对以上控制策略的研究,可以为PMSM直接转矩控制系统稳定地运行提供可靠支撑。

关键词： 牵引变流器   IGBT模块   散热系统   失效机理   状态监测  

摘要： 牵引变流器作为城轨列车动力源核心组成部分,其故障率占比较高,严重威胁线上机车安全。随着轨道交通建设按下加速键,对牵引变流器的可靠性提出了更高的要求。IGBT模块作为牵引变流器的核心组件,在列车运行过程中受到长时间的温度冲击与功率冲击,是变流器中的薄弱环节。为及时耗散热量、延长功率器件使用寿命,IGBT模块常搭配散热系统一起使用。然而在长期运行之后,IGBT散热系统的散热性能也会发生退化,最终影响整个系统的安全运行。状态监测作为提高设备可靠性的重要技术之一,通过监测特征量实现对设备健康状态的监测,防止意外停机。IGBT模块作为变流器的核心部件,起着能量转换与传输的作用,针对IGBT模块进行状态监测可实现IGBT模块的健康状态表征,避免由单个模块故障造成的系统性损坏;IGBT散热系统作为IGBT模块散热的重要部件,主要起到及时耗散热量的作用,针对散热系统进行状态监测对于降低IGBT模块超温故障、提升使用寿命有着重要的意义。因此本文针对牵引变流器中IGBT模块及其散热系统,首先分析了失效机理以及失效过程中电热参量的变化规律,随后分别针对IGBT模块键合线及其散热系统TIM开展了状态监测研究,以保障IGBT模块的安全可靠运行。论文的主要内容如下:(1)IGBT模块及其散热系统的失效机理研究。通过理论分析与解析描述,详细探讨了城轨列车牵引变流器中IGBT模块热疲劳老化以及散热系统散热性能退化的机理。从键合线失效的角度,分析了键合线老化与IGBT模块饱和压降之间的解析关系,为后续开展IGBT模块键合线状态监测提供了理论支撑;基于传热学理论分析了散热系统TIM老化过程中热参数的变化规律,为后续开展散热系统TIM状态监测提供了理论基础。(2)基于“蝗虫优化算法优化支持向量机”的IGBT模块键合线状态监测。首先分析了饱和压降的影响因素,分析得到将饱和压降作为键合线健康状态的监测参量时,还需要考虑结温以及集电极电流的影响。随后建立了基于“蝗虫优化算法优化支持向量机”的IGBT模块键合线状态监测模型。该模型在非“温度不相关点”电流处消除了结温波动对监测结果的影响,并且通过引入蝗虫优化算法对支持向量机中惩罚因子和核函数参数寻优,避免了参数选择的盲目性。最后通过实验与模型对比验证了该模型的准确性与有效性。(3)基于NTC温度响应曲线的散热系统TIM状态监测。首先分析了城轨列车牵引变流器以及走行风冷散热系统的运行特性,分析得到针对走行风冷散热系统进行监测时需要考虑动态响应过程。然后基于电热比拟理论,建立了热网络模型,探究了TIM老化对NTC温度响应曲线的影响,并在有限元仿真软件中搭建了多物理场仿真模型验证了理论分析的准确性。随后提出针对散热系统TIM的状态监测方法,该方法通过神经网络匹配健康状态下的参考曲线,采用离散Fréchet距离算法实现参考曲线与实际测量曲线之间的差异比较。最后,搭建实验测试平台,通过实验与实用性讨论验证了所提监测方法的准确性与可行性。上述研究成果可运用于城轨牵引变流器中IGBT模块键合线及其散热系统TIM的状态监测,有利于提高IGBT的可靠性,具有重要的工程运用价值。

关键词： 延时补偿   复矢量模型   矢量控制   状态反馈解耦   电流环  

摘要： 电机驱动系统是新能源汽车的重点研究方向之一,随着大功率高速电机在电动汽车领域的大规模应用,系统功率等级不断提高,逆变器的电压电流等级也随之提高,这导致逆变器的开关损耗不断增大。为了降低功率器件的能量消耗,逆变器的开关频率无法无限制随电机转速的升高而升高,因此新能源汽车高速电机相对于常规电机而言更容易处于低载波比运行状态。在高载波比运行时,数字延时问题对于系统的性能影响较小,但在低载波比状态下,数字延时的影响不可忽略,其会减小系统带宽,加剧轴间耦合,影响系统的稳定性,导致电流环动态性能的恶化。因此,对低载波比下电机控制策略的研究非常重要。在此背景下,本文以新能源汽车电机驱动系统为研究对象,对于电流环系统的延时补偿问题进行了深入研究。传统的相位补偿不能实现对系统动态情况下的精确补偿,针对这一问题,提出了新型动态延时补偿策略,具体研究内容如下: （1）建立电机控制系统的数学模型,通过坐标变换将数学模型转换至两相旋转坐标系下,分析了直流电流变量的耦合情况以及数字控制延时的产生机理,针对这些问题进一步建立了电流环复矢量模型。在复矢量模型中,建立了电流环系统中各环节的传递函数,为后文的分析奠定了理论基础。 （2）对空间矢量脉冲宽度调制的实现原理与算法应用进行了研究。对电流环系统的控制流程进行了介绍,并对电流环的解耦进行分析,基于di=0的矢量控制策略,运用双边频率响应特性曲线分析研究了传统PI控制以及状态反馈解耦的原理与效果,同时分析了延时补偿对系统性能的影响。基于上述研究对低载波比系统的性能加以分析与总结。 （3）基于双边频率响应特性曲线对低载波比下的延时保持环节进行分析,提出了一种全新的动态延时补偿策略。该策略通过电压预测与相位差计算来获得所需的补偿量,有效地降低了系统耦合。讨论了过补偿和欠补偿时对系统的影响,验证了所提出的新型动态延时补偿策略能够实现在稳态和动态条件下针对耦合项的精确补偿。 （4）在Matlab/Simulink软件中搭建了相应的仿真模型,验证了理论分析的合理性。最后搭建了实验平台进行验证,实验结果基本实现了预期效果。仿真和实验结果表明,本文提出的动态延时补偿策略能够保证系统具有良好的稳定性以及动态性能。

关键词： 三相无刷电机   故障诊断   集成学习   人工蜂群算法   矢量控制  

摘要： 三相无刷电机作为电气传动、智能家电、新能源电动、机器人、无人机飞控等领域的关键设备,不仅可以提供比直流有刷电机更精确的转速和伺服位置,也可以提供更大的扭矩比,因此受到了学界的广泛关注与研究。本文以三相无刷电机为主体研究对象,对如何正常稳定工作从故障诊断和矢量安全控制两个方面进行了探究,旨在能够精确判别三相无刷电机控制中的故障状态,并实现对电机转速与转矩的精确控制。在故障诊断方面,本文在单目标人工蜂群算法基础上,提出散度机制控制的人工蜂群算法对集成学习中的提升树分类器(e Xtreme Gradient Boosting,XGBoost)参数进行优化,从传统的全解域搜索变成权重阈值指导下的子区间搜索,并通过多形态的测试函数进行了改进算法的验证。针对故障诊断中的振动信号,根据其时频域特性的分析,提出子波三元模式的特征提取方案。并且将特征提取与分类器参数优化串联在一起,建立故障诊断的分类模型,实现了98%的故障诊断精度。针对三相无刷电机的矢量控制系统,多个控制环节的参数对控制效果产生耦合效应,且参数的整定需要经验参考或者试凑的问题,本文提出采取一种基于多目标蜂群算法的三相无刷电机控制系统的优化方案,以PI结构和滑模观测结构为基础,以控制系统速度响应的稳定性和相电流的稳定性两个目标为适应度参照,建立多目标优化函数,以矢量控制系统参数为寻优解,对控制环节的中需要整定的量进行优化,通过验证,速度响应误差降低了3%左右,较好的改善了矢量控制系统的性能。

关键词： 感应加热   串联谐振   移相控制   模糊控制   嵌入式控制  

摘要： 串联感应加热电源因其高效、环保、安全的独特优势,广泛应用于热处理、热加工、焊接、熔炼等工业加热领域。然而,其控制系统具有非线性、强耦合、时滞小以及等效模型突变等特性,采用常规控制方法对输出电流和逆变相角进行控制时,存在超调量大、响应时间慢、控制参数整定难度大等问题,导致设备加热效率低、故障率高。为解决上述问题,本文设计一种基于ARM和FPGA的串联感应加热电源控制系统,对系统的控制方法和策略进行优化,以提高设备的整体性能。本文的主要研究内容包括:(1)本文通过分析感应加热电源的设计需求,确定了电源的拓扑结构和控制方法。利用不控整流技术将工频交流输入电源转换为直流电,经串联谐振逆变后输出高频交流电,采用移相脉宽调制方法在逆变侧对输出电流进行控制,同时调节逆变器的工作频率,保证电源工作于弱感性状态。(2)针对系统的控制特性,本文采用输出电流外环和逆变相角内环相结合的双闭环控制策略,对输出量进行精确控制。为解决输出电流控制超调量大和响应时间慢的问题,本文将模糊控制应用于电流外环控制中,根据电流偏差和偏差变化率实时调整PID控制器的参数,以满足不同工况对控制器参数的需求。针对加热过程中逆变相角变化范围大,模拟锁相存在实时性差、动态范围窄的缺陷,逆变相角内环采用基于FPGA的变参PI控制器,根据相角偏差更改控制器的参数,提高了控制精度和速度。(3)基于ARM和FPGA嵌入式控制技术,设计并实现了串联感应加热电源的控制系统。在硬件方面,对采样、保护、驱动、通讯等电路进行设计,完成原理图和PCB的绘制、电路板的制作和调试。在软件方面,对ARM和FPGA的控制程序进行开发和调试,并完成人机交互界面的设计。最后,搭建实验测试平台,对系统功能和控制性能进行验证。实验表明:在稳定状态下,电源系统输出电流控制精度优于0.3%,逆变相角控制精度优于±0.05°;在阶跃响应下,电源系统输出电流超调量为零,调节时间在200ms内;在负载剧烈变化时,电源系统输出电流超调量控制在6%以内。因此,本文所设计的串联感应加热电源控制系统,可实现被控量的精确控制,具有调节时间短、超调量小的优点,提高了系统的控制性能,达到了设计要求。

关键词： 非线性时滞系统   最优控制   多目标优化   模拟退火算法   遗传算法   间歇发酵  

摘要： 1,3-丙二醇可用于润滑剂、药品和化妆品等制造业的生产中,是一种重要的有机化工原料。微生物发酵甘油生产1,3-丙二醇具有绿色环保、操作简单等优点。最优控制发酵过程可以最大化产物产量和底物利用率。但时滞现象广泛存在于发酵过程中,这为最优控制发酵过程带来了巨大挑战。本文对实际发酵过程中的一类时滞最优控制的理论与算法进行了系统研究。主要研究内容如下:1、研究了微生物间歇发酵非线性时滞系统的单目标最优控制。为了合理控制生物量和甘油的初始浓度,在终端时刻获得更大的1,3-丙二醇浓度,同时使甘油消耗速率小于一定数值,提出了一个含有约束的时滞最优控制模型。首先通过时域变换得到一个等价的最优控制问题,并使用罚函数方法处理约束条件。然后,构造了一种模拟退火与遗传混合算法对最优控制问题进行求解。数值结果表明,与已有结果相比,终端时刻1,3-丙二醇的生产效率提高了21.12%。2、研究了微生物间歇发酵过程的双目标最优控制问题。为了保证1,3-丙二醇的生产效率和甘油单位时间利用率同时最大化,在研究内容1建立的微生物间歇发酵非线性时滞系统的基础上,提出了一个双目标最优控制模型。对于双目标最优控制问题,通过时域转换方法将其转化为一个具有固定终端的等价双目标最优控制问题。进一步,分别应用归一化法向量约束(NNC)方法、加权和(CWS)方法和法向边界插值(NBI)方法,将等价双目标最优控制问题转化为相应的单目标最优控制问题。通过应用模拟退火与遗传混合算法求解一系列单目标最优控制问题,得到双目标最优控制策略。数值结果验证了所提解决方案的有效性。

关键词： Temperature measurement   Insulated gate bipolar transistors   Stress   Temperature sensors   Power semiconductor devices   Junctions   Temperature   Extraction   insulated gate bipolar transistor (IGBT)   Index Terms   stress wave   temperature   turn-off  

摘要： Condition monitoring (CM) technology plays an important role in ensuring the reliable operation of power semiconductor devices. Power semiconductor devices can generate stress waves when turned on and off, and the stress waves released by the device can be detected by the acoustic emission (AE) sensor. AE detection technology has the characteristics of both nondestructive and real-time, and is expected to be applied to the CM of power semiconductor devices in the future. However, temperature and electromagnetic fields can both affect the output characteristics of the AE sensor, which is not conducive to the application of AE detection technology. In addition, it is not clear how temperature affects the stress waves generated by power semiconductor devices. In this article, a novel stress wave extraction method for power semiconductor devices is proposed, and the influence of temperature on the stress wave generated by insulated gate bipolar transistor (IGBT) at the turn-off moment is explored. Besides, a signal characteristic of the stress waves associated with the junction temperature of the device is extracted as the temperature-sensitive acoustic parameter, which will lay the foundation for the future research of new methods for online monitoring of junction temperature.

关键词： OBE理念   课程思政   教学设计   电梯  

摘要： 针对当前课程思政教学存在的问题，基于以学生产出为导向的OBE理念，对“电梯PLC与变频器应用”进行课程思政教学改革。首先通过逆向设计确定培养预期目标，确定毕业要求。其次进行课程教学正向实施，重构教学目标，优化教学内容，创新教学方法，健全考核方式，充分挖掘专业课程中的思政元素，调动学生学习积极性，激发学习兴趣，提升育人效果，实现专业知识与思政教育的有机融合。最后通过课程目标达成度评价，持续推进课程闭环反馈改进，提高专业课程思政教学质量。

关键词： IGBT模块   损耗计算   非电气量参数   量热法   传热反问题方法  

摘要： 随着电力电子技术的发展,变流器在列车牵引、高压柔性直流输电等领域得到了广泛的使用。IGBT模块作为变流器系统的核心器件,其损耗计算是变流器系统可靠性评估和散热系统设计的重要基础。但是现有的损耗计算方法都是基于IGBT模块的工作电压和电流等电参数进行计算,在电磁干扰、高开关频率的环境下,电参数测量的误差较大并且设备成本高昂。针对这个问题,本文研究基于温度、流量等非电气量参数计算IGBT模块损耗的方法,具体研究内容如下: 首先,根据IGBT模块的物理结构和工作特性,分析IGBT模块损耗产生的机理和来源。同时,依据IGBT模块的结构对传热过程进行研究,建立IGBT模块的传热模型。 其次,基于量热法建立了 IGBT模块的损耗计算模型,利用IGBT模块水冷板进出口水温、入口流量、水冷板表面温度和环境温度计算IGBT模块的损耗。通过多物理场仿真研究不同入口流量、入口水温、IGBT模块工况和环境温度对损耗模型的影响。在此基础上,设计小尺度实验对仿真结论进行验证。结果表明,应用非电气量参数可以计算IGBT模块的损耗,并且所提损耗计算模型在不同工况下均具有较高的可靠性和准确性。 再其次,针对量热法在实际应用时,非电气量数据的测量噪声问题,提出通过卡尔曼滤波算法进行优化。基于多物理场仿真和小尺度实验的数据进行方法验证,并在柔性直流输电系统的换流阀模块上进行应用。结果表明,卡尔曼滤波算法降低了非电气量数据的测量噪声,提高了量热法损耗计算模型的精度。 最后,针对量热法所需测量数据较多的缺点,提出通过传热反问题方法计算IGBT模块损耗。结合实验数据和多物理场仿真软件,研究不同求解算法、损耗初值、测温位置和测温误差对损耗计算结果的影响。结果表明,相比其他损耗计算方法,传热反问题方法所需参数较少,并且计算损耗的误差小于5%。

关键词： 复杂社交网络   群组传播   SIHR谣言传播   免疫策略   最优控制  

摘要： 随着网络技术的发展,微博、微信、QQ等越来越多的社交应用程序出现在我们的日常生活中,在促进信息交流的同时,也导致谣言的肆意蔓延,对个人日常生活和社会稳定发展产生不利影响。故建立贴合现实的谣言传播模型,研究谣言传播的内在规律,降低谣言的传播范围,显得尤为重要。近年来,谣言在群组中的传播比重越来越大,研究谣言在群组中的传播规律显得愈发重要。有学者曾提出考虑遗忘记忆机制的SIHR模型,在此基础上,本文建立基于群组传播的SIHR谣言传播模型,并实施免疫策略和最优控制策略,来降低谣言的传播规模。本文的主要研究内容如下:(1)建立基于群组传播的SIHR谣言传播模型,分别在同质和异质网络上建立平均场方程,对模型进行稳定性分析,同时发现谣言不存在传播阈值。在人工网络和真实社交网络中进行蒙特卡洛仿真,仿真结果表明,在网络规模相等的情况下,BA无标度网络的谣言传播时间小于WS小世界网络的传播时间,BA网络传播节点的密度峰值大于WS小世界网络的密度峰值;在平均组度固定的情况下,增加群组的规模比增加群组的大小更能减少谣言的传播规模。(2)在同质网络上实施随机免疫策略,通过计算发现模型在同质网络上没有免疫阈值。通过在WS小世界网络中模拟随机免疫过程,发现随着免疫比例的增加,谣言的传播规模在递减。在异质网络上分别实施了随机免疫、目标免疫和熟人免疫,通过在BA无标度网络中进行蒙特卡洛仿真,发现三种免疫策略均对谣言的控制有效。此外,在免疫比例相同的情况下时,得到目标免疫效果最好,熟人免疫效果次之,随机免疫效果最差。(3)引入预防和隔离两种控制策略。利用Cesari定理证明了最优控制解的存在性,利用庞特里亚金原理计算出最优控制信号,通过仿真实验证明控制措施的有效性。仿真结果表明,预防和隔离措施应该随着谣言的传播过程动态变化,使用两种控制措施可以有效降低传播节点的规模,减少谣言带来的经济损失。