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关键词： IGBT   有限元分析   模拟退火粒子群算法   老化预测  

摘要： 作为新型功率半导体器件的主流,小功率绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)因其饱和压降低、功率损耗小、输入阻抗高等优势,在电动汽车、电机变频调速、分布式光伏逆变器等诸多电力电子产业均有着广泛应用。IGBT模块因为封装中每一部分材料的热膨胀系数存在差异,长期高强度工作,容易导致模块内部老化失效。因此对IGBT老化机理、老化预测进行研究意义重大。不但可以减少维护成本,更能避免因器件老化失效而造成重大事故。针对此问题,本文以型号为IRG4BC30KD的小功率IGBT模块为研究对象开展以下工作: 首先,本文针对IGBT的老化机理和老化检测技术,对国内外研究现状进行综述,归纳出由于封装级失效造成的IGBT模块温度过高,是引发IGBT老化的主要原因。接着讲述了IGBT的工作原理及老化失效原因,对常用的老化特征参量和失效阈值进行阐述,最终选择集射极关断尖峰电压Vce-p作为IGBT的老化特征参量进行老化预测。 其次,以型号为IRG4BC30KD的IGBT模块为有限元研究对象,对其实际工程中内部产生的电场、热场和应力场三者间的相互作用关系及数学模型展开剖析,接着在COMSOL中进行建模分析。结果表明:模块最高温度产生于芯片中心位置,芯片焊料层边角位置遭受的热应力最为严重,最容易发生老化。焊料层内空洞的大小和位置会使IGBT模块承受的热负荷发生变化,因此控制焊料层空洞大小可以改善IGBT模块可靠性。 最后,从小功率IGBT加速老化实验数据中提取出集射极关断尖峰电压变化趋势,利用二次指数平滑算法去除特征数据中的毛刺,再分别利用BP神经网络、长短期记忆网络(LSTM)、卷积长短期记忆复合网络(CNN-LSTM)模型进行IGBT老化预测,验证了CNN-LSTM预测效果最为精准,拥有最低的预测误差与最高的决定系数。同时,由于传统神经网络存在超参数不易设置的情况,采用结合粒子群算法(PSO)以及模拟退火算法(SA)对CNN-LSTM模型进行超参数优化,结果证明优化后的CNN-LSTM模型预测精度更高,预测能力更加优异。 本文共有图53幅,表8个,参考文献76篇。

关键词： 非线性切换系统   时滞切换系统   最优控制   全变差   鲁棒控制   灵敏性分析   并行粒子群算法   批式流加发酵  

摘要： 1,3-丙二醇(1,3-PD)是一类新型的化工原料。微生物批式流加发酵生产1,3-PD是一种绿色环保的化工生产方式。近年来,最优切换控制已经广泛应用到化工生产、通讯网络和自动控制等众多领域,一直是优化与控制界研究的热点。本文针对微生物批式流加发酵甘油生产1,3-PD过程,建立了一类非线性切换系统。考虑到实际发酵生产过程中改变甘油进料速率对最优控制策略的影响,研究了一类涉及光滑进料速率变化费用并满足路径约束的最优切换控制问题。主要包括以下两部分内容:研究了肺炎克雷伯菌微生物批式流加发酵甘油生产1,3-PD具有控制变化费用的最优切换控制问题。首先,本文提出了一个非线性切换控制系统来描述该发酵过程。以甘油的光滑进料速率以及间歇过程和流加过程之间的切换时刻为控制变量,以终端时刻1,3-PD产量最大化和进料速率变化费用最小化为性能指标,提出了一个满足连续状态不等式约束的最优切换控制问题。通过应用一种新的控制参数化方法,将该最优控制问题转化为一系列参数优化问题。进一步,应用时间尺度转化方法,将具有可变切换时刻的优化问题转化为具有固定切换时刻的等价问题。通过约束转换技术,将该等价问题近似为一系列非线性规划问题。同时推导了光滑进料速率总变差的解析表达式。在此基础上,开发了一种包含约束梯度信息的并行粒子群优化算法来寻找最优的控制策略。数值结果表明:牺牲少量的1,3-PD可以显著减小甘油进料速率的变化费用。考虑到微生物的代谢机制,即新生物量的产生受到营养物质代谢时间的延迟,研究了批式流加发酵过程中具有控制变化费用的鲁棒时滞最优切换控制问题。根据实际发酵过程,本文提出了一个受路径约束的非线性时滞切换系统来描述生产过程。目标是为该过程设计一个最优控制方案,使得(i)该过程在终端时刻产生足够高的1,3-PD浓度;(ii)该过程在终端时刻甘油进料速率变化费用最小;和(iii)1,3-PD产量对时滞的变化具有鲁棒性。据此,提出了一个目标函数中同时考虑1,3-PD产量、进料速率变化费用以及1,3-PD产量对时滞的灵敏度的最优切换控制问题,本问题的控制变量是甘油的进料速率以及间歇过程和流加过程之间的切换时刻。通过引入一个辅助时滞切换系统,得到了1,3-PD产量关于时滞的灵敏度表达式。通过应用控制参数化方法、时间尺度转化和约束转换技术,得到最优控制问题的近似优化问题。在此基础上,应用改进的并行粒子群优化算法求解该近似优化问题。最后,数值结果表明所得的最优控制策略在时滞不确定下具有较好的鲁棒性。

关键词： 多智能体系统   强化学习   延迟   分布式一致控制   最优控制  

摘要： 多智能体系统(MASs)分布式一致控制是一个受到广泛关注的研究方向,因为它在许多领域中得到了应用,例如太空监测、交通信号管控和无人机编队等。该研究方向主要关注如何针对每个智能体设计仅依赖自身和邻居信息的控制策略以实现系统的协同工作。根据系统中是否有领导者,该研究方向可分成无领导者一致控制和有领导者一致控制。对于有领导者一致控制,可进一步依靠领导者的数目而分成仅有一个领导者的跟踪一致控制和有多个领导者的包容控制。关于分布式一致控制的研究有许多,然而,在现实多智能体系统进行信息交流的过程中,由于共享通信网络带宽有限即单位时间内传输数据量受限,当通信传输频率过高时会造成数据传输延迟,由此智能体之间产生了通信延迟;同时,由于智能体自身计算能力有限,当控制器更新频率过高时会造成计算过载,由此智能体内部产生了输入延迟。因此,延迟通常是解决多智能体系统分布式一致控制问题的一个不可忽略的影响因素。本文研究了基于迭代强化学习的多智能体系统分布式最优一致控制问题,结合代数图论以及自适应分布式观测器设计、网络化预测控制器设计、神经网络逼近、最优控制、强化学习等方法,估计状态和补偿延时,并借助matlab进行仿真来验证控制策略的可行性。本文的研究工作主要包含以下三个方面:1、针对通信延迟环境下同构多智能体系统的分布式最优状态一致控制问题,提出了基于网络化预测控制器的分布式最优控制策略。首先,提出了基于补偿机制的网络化预测控制方法,用分布式观测器来估计每个跟随者的状态;然后设计了一个分布式最优状态一致控制策略,并构造李亚普诺夫函数来证明跟随者可以与领导者实现状态一致;接着提出了一种在线学习哈密顿-雅克比-贝尔曼(HJB)方程解的值迭代算法,并将其应用于评判-执行神经网络结构;最后用matlab做了仿真来说明理论方法的可行性。2、针对输入延迟环境下异构多智能体系统的分布式最优输出一致控制问题,提出了基于自适应分布式观测器的分布式最优控制策略。首先,采用离散化和模型变换的方法,一个具有输入延迟的的连续系统转化为一个无输入延迟的离散系统;其次,当领导者的全部模型信息都未知时,设计了一个自适应分布式观测器为跟随者估计领导者的状态;然后设计了一个分布式最优输出一致控制策略,并构造李亚普诺夫函数来证明跟随者可以与领导者实现输出一致;接着提出了一个不需要任何智能体动力学的Q-学习方法来在线解决代数黎卡提方程(ARE);最后用matlab做了仿真来说明理论方法的可行性。3、针对异构多智能体系统的分布式最优状态包容控制问题,提出了基于自适应分布式观测器的分布式最优控制策略。首先提出了一种自适应分布式观测器为跟随者估计领导者的状态,并在领导者的凸包内构建状态轨迹;然后设计了一个分布式最优状态包容控制策略,并构造李亚普诺夫函数来证明跟随者状态可以收敛于领导者状态形成的凸包;接着针对领导者和跟随者的模型信息都未知的情况,设计了一个无模型强化学习算法在线学习ARE的解;最后用matlab做了仿真来说明理论方法的可行性。

关键词： 绝缘栅双极型晶体管   柔性带状线   纳米立方银焊膏   焊接  

摘要： 在电力电子领域中,绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是一种非常重要的半导体器件。它具有高性能、高可靠性和低开关损耗等优点,因此广泛应用于各种电力电子设备中,如交流调速器、逆变器、直流输电系统等。然而,IGBT在工作时会产生大量热量,如果不能有效地处理器件发热问题,将会导致IGBT温度过高,从而影响其性能和寿命。因此,本论文针对IGBT传统封装存在的散热问题,对其封装方式进行一系列的技术研究,包括封装工艺中的电气互连技术,即芯片表面互连技术和贴片互连技术,以改进其传统的超声引线键合和基于锡的焊料焊接互连方式,以提高IGBT工作时的热可靠性,使其具有更高的电流密度,实现更为紧凑、可靠的封装。对于芯片表面的互连,借助多物理场软件COMSOL,通过对电磁热、电流密度、表面辐射度和热应力等方面的研究,设计出了柔性带状互连线,并通过与传统圆形金属线的互连方式对比,证实了柔性带状互连线不仅可以保证一定的电气性能,还可以有效提高IGBT的散热能力。然后,根据仿真结果制作出实际样品,验证了仿真结果。对于IGBT内部的贴片互连,本文配置了一种新型焊料,即纳米立方银焊膏。首先,采用多元醇还原法在液相中合成了尺寸较为均匀的纳米立方银颗粒,并借助高速离心机将纳米立方银与溶剂的混合液浓缩,从而获得高浓度和黏稠度的纳米立方银焊膏。然后,通过热分析获得焊膏中有机物的分解温度和分解速率,从而设计出此焊膏的最佳烧结温度曲线。最终,在空气中、280℃下烧结30 min获得了坚固的烧结接头。根据对烧结接头的断裂面、横截面的表征分析和计算,烧结接头表现出较高的机械性能,烧结层的孔隙率仅为5.09%,剪切强度高达到31MPa。为了进一步验证纳米立方银焊接的可靠性,通过高温储存的方法,将纳米立方银烧结后的样品在250℃下进行热老化,分析其在不同时效下,孔隙率、剪切强度、电阻率和热导率的变化,从而评估其热可靠性。最后得出:尽管在高温长时间的存储下,纳米立方银烧结层仍然表现出良好的机械性能和电气性能,远超传统钎料的焊接技术。基于此,证实了纳米立方银作为高温功率器件IGBT应用的互连焊料具有很好的潜力,促进了IGBT封装技术的发展。

关键词： IGBT功率模块   开关暂态   结温监测   行为模型  

摘要： IGBT被广泛应用在各个领域的电力电子变流器中,IGBT的可靠性研究对于保障变流器系统安全稳定运行有着重大意义。然而,随着变流器领域对IGBT的功率等级要求增大,IGBT长期处于严峻的工作环境下,这导致各个领域对IGBT的可靠性有着更高的要求与标准。结温是影响IGBT可靠性的重要因素,因此在变流器运行过程中对结温进行监测是保证IGBT可靠性的关键技术,而在变流器运行阶段中出现的电气过应力同样会影响IGBT可靠性,因此通过IGBT模型可以对于运行阶段的电气过应力进行预测,避免电气过应力导致的故障,指导变流器设计,保障变流器安全可靠运行。 因此,本文以IGBT作为研究对象,从结温监测与行为建模对IGBT的可靠性进行了研究,具体研究如下: 首先,对IGBT静态特性进行分析得到IGBT工作区间,并得到输出特性与传输特性的表达式;同时对IGBT极间电容进行分析,得到极间电容的组成模式以及表达式;接着对典型的IGBT开通与关断波形按照物理意义进行划分,推导出不同阶段下电压与电流的变化形式以及表达式。 然后,对热网络法与温敏参数法的结温监测方法进行研究。首先结合损耗计算模型与热网络模型对IGBT结温进行了仿真计算,在相同条件下将计算结果与Plecs输出结果进行了对比分析;然后提出了一种基于特定米勒电压平台前电压Vpre-ml的温敏参数结温监测方法,首先分析了Vpre-ml不受电压与电流影响的原因,并分析了Vpre-ml与温度之间的关系,然后搭建整流器实验平台验证了电压与电流对Vpre-ml没有影响,最后在不同负载下对该方法的准确性与泛用性进行了验证。 最后,对IGBT行为建模进行了研究,建立了IGBT模块行为模型。首先引入修正公式得到IGBT静态特性较好的拟合结果,通过搭建电容提取电路获取IGBT极间电容,结合IGBT双脉冲电路波形对杂散电感进行提取;同时对IGBT反并联二极管的正向导通特性与反向恢复特性进行了分析与建模;然后介绍了温度对IGBT参数的影响与表达关系式;在相同双脉冲测试电路参数条件下,对比了在开关暂态过程中的仿真波形与实验波形,证明了模型的有效性。

关键词： 布鲁氏菌病   羊群调运   斑块模型   疫苗接种   最优控制  

摘要： 布鲁氏菌病是由布鲁杆菌造成的一种急性或慢性的人畜共患性的传染病,俗称懒汉病,又叫波状热.布鲁氏菌菌种类型多样,有牛、羊、猪、犬、鼠布鲁氏菌,患病的羊、牛等疫畜是布病的主要传染源.人主要是由于接触患病的牲畜及其制品感染发病,人患布鲁氏菌病后主要表现为发烧、多汗、乏力、关节和肌肉疼痛、有的还会出现肝脾肿大、睾丸肿大等,严重的可丧失劳动能力.尽管我国实施了动物布鲁氏菌病控制或根除计划,布鲁氏菌病的发病率显著下降,但随着报告病例数量的增加,自然疫源地从中国北方扩展到南方,特别是从2004年以来.其主要原因是由于牲畜在各个省之间大量调运,受感染动物的流动性增加.因此根据布病的发病机制和传播规律,建立羊群在不同斑块调运的动力学模型,对疾病的进行动力学分析及数值模拟,为疾病的有效控制提供理论基础,利用最优控制理论评估控制措施的最佳防控效果,进而对动物和人类的控制策略进行调整具有重要意义.本文做了以下工作:首先,介绍了布鲁氏菌病的研究意义,国内外研究现状和主要研究内容.其次,研究了羊群调运对布病传播的影响,建立了一个基于斑块布鲁氏菌病传播动力学模型.给出了基本再生数,证明了无病平衡点的全局渐进稳定性,正平衡点的存在性和全局稳定性.以山西省和河北省为例进行数值模拟.结果表明,山西省和河北省这两个地区的布鲁氏菌病得到了有效控制,为了更快地减少两省的布鲁氏菌病,应该有一定数量的羊群从高感染区向低感染区调运,减少羊群从低感染区向高感染区调运.最后,加入措施项免疫仓室,建立双斑块模型,基于最优控制理论,对使用动物疫苗接种和调运作为防治布鲁氏菌病感染的控制措施进行了最优控制研究.理论上,分析了模型的基本再生数,无病平衡点的全局渐近稳定性,正平衡点的存在性和最优控制解的存在性.同时,本章结合山东省和新疆维吾尔自治区人间布鲁氏菌病病例数进行数值模拟,得到山东省和新疆维吾尔自治区的最优控制策略.研究结果表明,对两省的羊群接种疫苗,同时也要控制新疆维吾尔自治区到山东省羊群的调运,两省的布鲁氏菌病得到了最佳控制,并且减少了累积支出.

关键词： 高压大功率IGBT器件   电磁瞬态模型   开关等效波形   频谱包络   功率损耗与EMI的权衡  

摘要： 高压大功率绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)器件具备易于驱动、开关速度快、饱和压降低和安全工作区域宽等优点,被广泛应用于高压大容量换流装备中。然而,换流装备中IGBT器件在开关过程不可避免地产生功率损耗和电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI),严重影响IGBT器件及其所在换流装备的运行可靠性。现有研究难以准确表征高压大功率IGBT器件动态特性,以至于无法准确评估和调控IGBT器件在换流装备中产生的功率损耗和EMI。为此,本文针对高压大功率IGBT器件电磁瞬态建模及其应用问题,采用理论分析和计算为主,实验测量验证为辅的研究手段,对高压大功率IGBT器件在换流装备中的电磁瞬态模型、功率损耗和EMI源模型及其权衡方法方面开展了较为深入的研究。首先,针对高压大功率IGBT器件电磁瞬态过程认知不清的问题,根据高压大功率IGBT芯片的结构特点,考虑载流子存储效应,提出了开关过程非对偶关系的建模思路;通过时间分段,实现了器件开关机理的解耦和参数的分离,建立了基于有限状态机(Finite State Machine,FSM)的高压大功率IGBT器件电磁瞬态模型,实现了复杂工况下IGBT器件动态特性的准确模拟;与实验测量波形相比,电流和电压变化率、极值等关键参量的仿真误差不超过5%。接着,考虑器件在换流装备中开关过程具备典型特征,提出了高压大功率IGBT器件开关等效波形;在电磁瞬态模型的基础上,借助电路方程时域求解和低阶线性近似,实现了用系统参数对开关等效波形时域特征参量的解析表征;与实验测量波形相比,开关等效波形关键参量具有较好的仿真精度,能够较为准确的近似解析表征高压大功率IGBT器件动态特性。然后,基于傅里叶变换的基本性质,分频段地讨论了开关等效波形的频谱包络特征参数,实现了用系统参数对开关等效波形频域特征参量的解析表征;此外,考虑器件开关过程中电流和电压变化最快阶段,将开关等效波形中的多折线波形简化为非对称梯形波,并数学推演了非对称梯形波的频谱包络解析式,极大简化了开关等效波形时、频域特征参数;对比分析了开关等效波形简化前后的幅频特性,电压等效波形的频谱特性几乎不受影响,而电流等效波形由于反向恢复过程,存在近25dBμA的差距。因此,在采用非对称梯形波对开关等效波形简化时,需要考虑电流和电压过冲对频谱特性的影响。进一步地,将开关等效波形的时、频域分析分别应用于基本换流回路的功率损耗和传导EMI求解中,建立了高压大功率IGBT器件在基本换流回路中功率损耗解析模型和传导EMI频域解析模型,实现了用系统参数对功率损耗和传导EMI的解析表征。其中,对于功率损耗解析模型而言,与实验测量结果相比,功率损耗解析模型在器件开关过程关键阶段的功率损耗计算误差不超过10%,总功率损耗计算误差不超过15%;对于传导EMI频域解析模型而言,以电流和电压等效波形的频谱包络分别作为差模(Differential Mode,DM)和共模(Common Mode,CM)干扰源,结合DM和CM传导路径,建立了传导EMI的频域预测解析模型,并与传导EMI时域预测方法对比,验证了频域解析模型的准确性。最后,在功率损耗和EMI源解析模型的基础上,讨论系统参数对功率损耗和EMI源的影响,明确了驱动参数、器件参数和回路参数的影响规律,从而提出 了基于非支配排序遗传算法Ⅱ(Non-dominated Sorted Genetic Algorithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ)的功率损耗与EMI源权衡方法。以驱动参数优化和器件参数优化为背景,分别获得了驱动参数的最优解集和器件参数的最优解集,为IGBT器件在应用过程中功率损耗和EMI的平衡提供理论依据和分析方法。

关键词： 线性二次控制   平均场系统   时滞系统   不定号   平均场博弈   主智能体   社会最优控制   输出反馈控制  

摘要： 平均场随机系统控制研究具有重要科学意义和广泛的应用价值,该问题近期得到了广泛关注并取得了实质性进展.但是仍然存在一些问题有待于解决或进一步研究.本文通过研究线性二次(LQ)控制的本质问题,提出平均场正倒向随机微分(差分)方程(FBSDEs)解耦求解方法,得到了平均场系统最优控制系列问题充要条件和解析解,解决了过去尚未解决的问题,包括带时滞的平均场最优控制问题,不定号博弈问题,主-次智能体最优控制问题,输出反馈控制问题.具体学术贡献按章节顺序结构如下:(1)对于连续时间带有时滞的平均场系统的最优控制问题,在有限时域的情形下给出了解析形式的最优控制器,在无限时域的情形下,得到了均方意义下可镇定的充分必要条件.(2)对于离散时间乘性噪声不定号LQ平均场系统博弈问题,若加权矩阵是不定号的,通过利用凸性的性质,给出了Nash均衡存在的充分必要条件,并进一步给出显式形式的分散式控制策略,且该策略为一个ε-Nash均衡.(3)针对带有主智能体离散时间平均场社会系统,给出了集中式最优控制器的充分必要条件,并在标准假设下,设计了每个智能体分散式控制器,并进一步证明了该控制器是渐近最优的.(4)针对离散时间线性二次平均场系统社会最优输出反馈控制问题,给出了每个智能体的最优估计器,并设计了一组输出反馈类型的分散控制器.

关键词： 永磁同步电机   自抗扰控制   矢量控制   参数整定  

摘要： 随着现代工业自动化技术的发展,永磁同步电机(PMSM)逐渐成为了许多工业领域中的重要驱动器件,其高效率、高精度、高可靠性的特点,使得其在各种工业自动化系统中的应用越来越广泛。然而,传统的PMSM控制系统采用PI控制器或模型预测控制器等方法,其控制性能在面对外界扰动和模型误差时表现不稳定,因此需要一种新的控制方法来提高其鲁棒性和抗干扰能力。本文主要介绍一种基于自抗扰控制(ADRC)的PMSM控制系统设计。ADRC是一种新兴的控制方法,其可以有效地抵消系统中的干扰,提高系统的精度和稳定性。在PMSM控制系统中,ADRC控制器可以有效地抵消电机转子位置和速度测量误差、电机参数变化、负载扰动以及电源电压波动等干扰因素的影响,从而保证了系统的控制性能。 本文介绍自抗扰控制器的发展历程,分析了控制器的三个组成部分:微分跟踪器、扩张观测器、非线性误差反馈控制率。建立了三个部分的数学模型,并对它们的参数进行分析和调节。然后基于永磁同步电机的数学模型设计了对应的自抗扰控制器,包括转速环和电流环。通过大量仿真、对比,分析了自抗扰控制器的动态性能。结果表明,自抗扰控制器的抗扰性和鲁棒性都要优于传统PID。在得到对应的理论支撑后,设计一款了以TSM320F28335为核心的永磁同步电机控制系统。同时对系统进行相应的测试和试验,试验结果表明ADRC能够在矢量控制方法中取得较好的控制效果,相较于传统PI控制器,基于ADRC的PMSM控制系统在外界扰动和模型误差的情况下表现出良好的控制性能和鲁棒性。 最后,本文总结了基于ADRC的PMSM控制系统的优点和不足,并提出了未来改进的方向。使得该控制系统可以广泛应用于各种工业自动化领域,特别是在需要高精度和高鲁棒性的场合。