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关键词： 登革热传播模型   沃尔巴克氏菌   疫苗   分布时滞   稳定性   最优控制  

摘要： 将感染沃尔巴克氏菌的蚊子释放到野生蚊子种群中是一种极好的生物控制策略,可以有效地对抗登革热等蚊媒传播疾病.本文主要关注沃尔巴克氏菌在蚊子种群中的传播以及对登革热传播的影响,并研究疫苗和蚊子的外潜伏期对登革热传播的影响.因此,本文研究了两类登革热传播模型及其动力学行为,利用最优控制理论寻找最有效和最具成本效益的综合控制策略,为制定控制登革热传播的策略提供了理论依据和指导.本文共分为四个章节,主要内容如下:第一章主要介绍了登革热传播模型的研究背景及意义,以及本文所用到的一些重要结论.第二章研究了一类考虑沃尔巴克氏菌和疫苗的登革热传播模型的动力学行为及最优控制策略.首先,考虑了沃尔巴克氏菌占优种群入侵成功与否的两种极端情况,分析得到了系统的阈值动力学性态.其次,对基本再生数进行了局部和全局敏感性分析.进一步地,提出了四种控制策略,证明了最优控制的存在性并使用庞特里亚金极大值原理求出最优控制的表达式.最后,通过数值模拟和成本效益分析讨论了最有效与最具成本效益的策略.结果表明,最具成本效益的综合策略是接种疫苗、使用蚊帐和喷洒杀虫剂.第三章建立了一类登革热传播模型,该模型考虑了感染沃尔巴克氏菌种群以及蚊子的外潜伏期.首先,分别研究了沃尔巴克氏菌入侵成功系统和沃尔巴克氏菌入侵失败系统的动力学行为,包括基本再生数,正稳态的存在性和全局稳定性.进一步地,以分段函数作为分布时滞,并通过数值模拟表明了引入沃尔巴克氏菌可以有效降低最终感染人数,且忽略蚊子的外潜伏期会高估登革热暴发的风险.最后,研究了离散系统的最优控制策略,并得出结论:从控制效果来看,仅接种疫苗能够最有效地控制登革热的传播;从控制成本效益的角度来看,仅使用蚊帐才最具成本效益.第四章总结本文所做的工作,并分析了登革热模型需要进一步研究的问题和工作.

关键词： 永磁同步电机   矢量控制   RBF神经网络   神经元控制   滑模控制  

摘要： 新世纪以来,包括中国在内的各工业强国越发重视机器人技术。高效化、智能化和模块化是机器人技术发展的重要方向。面对此发展机遇与挑战,加强对机器人控制技术的研究具有重大意义。本文从经典控制理论与现代控制理论出发,重点研究机器人关节电机底层的驱动与控制算法。永磁同步电机结构简单紧凑,可靠性强,损耗低,功率密度高,是目前机器人关节电机的最优选择,故本课题重点研究应用于机器人的永磁同步电机驱动与控制算法。 本文分析了不同转子结构永磁同步电机的异同,其中表贴式永磁同步电机交轴与直轴电感分量相等,便于建模分析与控制算法设计。然后推导了表贴式永磁同步电机三相静止坐标系及两相同步旋转坐标系下的数学模型,采用直轴电流恒等于零的矢量控制方法。分析了三相永磁同步电机空间矢量脉宽调制技术的原理与算法,并针对其死区问题提出了软件补偿算法。 其次考虑到工业机器人根据不同的工况,需要携带不同的负载,甚至在同一负载的不同运动阶段,其作用在各个关节电机上的负载转矩均会发生变化,因此引入神经网络在线辨识控制系统中的未知函数,减轻负载扰动对系统的影响。同时关节电机位置控制需要极高的精度,故设计了基于神经元的PMSM位置控制器。该神经元控制算法拥有自适应性与自学习功能,因而具备很强的鲁棒性,可有效提高电机位置控制的精度。针对传统电机速度滑模控制器的抖振现象,设计了RBF网络滑模控制器,利用神经网络逼近控制系统中的未知扰动,解决了电机速度控制中的抖振问题。此外经过严格的数学推导,证明了以上所设计的位置控制器和速度控制器的李雅普诺夫稳定性。为提高矢量控制系统的动态响应速度,根据永磁同步电机的数学模型,基于工程最佳阻尼比设计了PMSM PI电流控制器。 最后为验证本文所提矢量控制算法与控制器的稳定性和有效性,首先基于永磁同步电机设计了关节电机矢量控制系统,然后完成了控制算法的软件设计与硬件系统的调试工作。之后搭建了永磁同步电机矢量控制系统Matlab/Simulink仿真模型和实物试验平台。其次为了测试所设计神经网络控制器的性能,在仿真模型和试验平台上进行了多次试验。仿真和实物试验结果表明神经元位置控制器、RBF网络滑模速度控制器具有控制精度高、稳定性好、响应速度快、鲁棒性强等优点,相对于传统PI控制器与滑模控制器能更好的解决机器人关节电机的负载扰动问题。

关键词： 时滞系统   控制参数化   时域转换   切换时间优化   自适应控制  

摘要： 时滞最优控制问题是控制理论中的一个重要分支,它所考虑的动态系统不仅与当前的状态或者控制相关,并且和过去的状态或者控制相关.航空航天、自动控制、工业过程控制等领域中的许多决策问题都可以归结为时滞最优控制问题.近年来,随着研究的不断深入,所考虑的问题也不断趋于复杂,以控制参数化方法为代表的数值方法由于容易理解且求解范围广、效率高,从而逐渐受到研究人员的重视.其主要思想是将控制函数离散化,使得无穷维的最优控制问题转化为有穷维优化问题,而后使用非线性规划算法求解离散后的约束优化问题以得到最优控制.目前,控制参数化方法已经被用于求解各种不同类型的最优控制问题如混合整数规划、脉冲系统和奇异最优控制等.对于时滞最优控制问题,在控制参数化框架下通过使用时域转换技术可以实现控制切换时间的优化,但这一技术要求控制函数向量的每一个分量的切换次数与切换时间保持一致,因此难以满足实际应用的要求.为此,本文致力于在控制参数化的框架下来设计一种能够独立优化每个控制分量的新技术来求解时滞最优控制问题.首先,我们将针对一般的最优控制问题来提出我们的控制自适应方法,通过成功求解一般最优控制问题以验证我们方法的可行性.之后我们致力于将这一方法推广运用到时滞最优控制问题,最终填补以往在控制参数化框架下自适应求解时滞最优控制问题的空白.本论文的主要贡献在于提出了一种可以实现控制分量完全自适应优化的新技术,并应用该技术成功地解决了时滞最优控制问题,突破了传统的时域转换技术在求解该问题时所存在的技术限制.该技术能为控制策略的选择提供更多的灵活性,并为现实应用提供更高的系统效率和性能.

关键词： 永磁同步直线电机   矢量控制   自抗扰控制   动子质量辨识   Speedgoat  

摘要： 永磁同步直线电机（permanent magnet linear synchronous motor,PMLSM）由于其精度高、损耗低和效率高的性能,近些年来被广泛用于精密控制领域。考虑到永磁同步直线电机是一个非线性、强耦合和时变系统,其模型参数易变,当处于严苛的工况时,为确保控制系统具有良好的动静态性能,控制算法必须具备高度的抗干扰性能。为此,本文对自抗扰控制（active disturbance rejection control,ADRC）技术展开研究,结合动子质量辨识方法为永磁同步直线电机设计了高精度的控制策略,提高了控制系统的鲁棒性。论文的主要工作如下:（1）本文首先基于dq旋转坐标系建立PMLSM数学模型,采用id=0的矢量控制策略搭建PMLSM的ADRC位置控制器仿真模型。结果表明,与PI控制器相比,ADRC可以完全消除位置响应超调,提高控制系统的鲁棒性,但传统TD存在相位延迟,且对系统内高频噪声的抑制能力有待提高。（2）为提高PMLSM位置控制系统的跟踪性能和抗干扰能力,本文提出变增益自抗扰控制器。针对传统ADRC中微分跟踪器（tracking differentiator,TD）环节存在相位延迟和滤波差的问题,使用正切sigmoid函数设计改进微分跟踪器（improved tracking differentiator,ITD）,提高系统的跟踪性能,并使用终端吸引子函数降低由高频信号引起的颤振现象,使得ITD抑制噪声能力更强。其次,针对传统扩张状态观测器（extended state observer,ESO）的初始峰值误差问题,在观测器的增益项中设计变增益函数,并将变增益函数引入到非线性误差控制律（nonlinear state error feedback,NLSEF）中,和ITD一起构成了变增益ADRC控制器。仿真结果可以看出,变增益ADRC有效提高了对扰动的观测精度,提高了系统的抗扰动能力。（3）PMLSM负载工况下,动子质量的改变会恶化系统的跟踪性能,为此设计了基于自适应朗道离散递推辨识算法的动子质量辨识ADRC控制策略。通过实时估计动子质量,并将辨识得到的结果用于实时更新变增益ADRC位置控制器的参数,从而进一步提高了控制系统在负载扰动工况下的动静态性能。由仿真结果可以得出,与变增益ADRC相比,质量辨识ADRC响应时间缩短了42%,突加负载恢复时间缩短了25%,正弦跟踪位置误差减少了98%,证明质量辨识ADRC能够进一步增强系统的响应性能和抗干扰能力。（4）为验证本文所提出的控制策略的有效性,本文基于Speedgoat半实物仿真平台,分别搭建了传统ADRC、变增益ADRC和质量辨识ADRC控制策略的PMLSM位置控制模型,并分别进行给定位置阶跃响应、突加负载的位置阶跃响应。通过实验结果分析,与变增益ADRC相比,质量辨识ADRC空载响应时间减少了8.3%,负载条件下恢复时间缩短了50%,证明本文提出的控制策略能有效加快响应速度并提高系统的鲁棒性。

关键词： 双转子永磁磁阻电机   齿槽转矩   多目标优化   矢量控制   模糊滑模控制  

摘要： 电机是实现电能与机械能转换的重要基本元件,在所有工业生产和日常生活中都不可或缺。电机的大范围应用为人类带来了极大的便利,但是与此同时也造成了能源的大量消耗,研究与推广高效节能电机已成为当今人类的普遍共识。 表贴式永磁同步电机(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor,SPMSM)由于其定子内部留有较大的内腔空间,常常无法得到有效利用,因此可以考虑将其拓展成双转子结构,进一步提高其转矩密度。为了顺应提升电机能效,减少资源浪费的发展趋势,本文提出了一种双转子永磁磁阻电机,内转子选用同步磁阻转子结构以节约电机生产成本。 双转子永磁磁阻电机本质上是将两个电机单元合并成为单个电机实体,电机内侧为带有多磁通屏障的同步磁阻转子,外侧为带有稀土永磁体的永磁转子。首先对电机的拓扑结构及运行原理进行分析以确定电机的大致设计方向,根据内外转子电机的功率尺寸方程以及电机设计原则确定电机的基本尺寸参数,在有限元仿真软件中建立电机模型,对其进行电磁场分析。 其次,针对外转子电机为SPMSM结构,对其转矩脉动的抑制进行了研究。基于永磁同步电机的齿槽转矩特性,确定了影响齿槽转矩的关键因素,采用参数扫描法对外电机的结构进行了改进,确定其合理尺寸参数范围。 接着,设计了一种新型的多目标优化策略,对内转子同步磁阻电机的转矩性能进行了优化。通过拉丁超立方抽样方法生成样本空间,利用斯皮尔曼相关系数法分析样本参数灵敏度,根据克里金模型的基本理论构建响应面模型,基于响应面模型进行智能算法优化验证以求出最优解,并且通过有限元仿真验证了该优化方法的可行性。 最后,提出了一种基于矢量控制的双转子永磁磁阻电机的控制策略。根据坐标变换原理推导电机的数学模型,搭建基于传统PI控制器的矢量控制系统。引入一种新型的指数趋近律理论,用模糊滑模控制器代替传统PI控制器,并对控制系统的稳定性进行分析,与改进前的控制系统性能进行对比。

关键词： 矢量控制   无传感器   非线性   永磁同步电机   滑模观测器  

摘要： 永磁同步电机结构简单、输出转矩稳定、可靠性高、控制性能优异,已被广泛应用于各领域的高性能调速系统。在使用矢量控制策略控制永磁同步电机时,需要使用传感器获取转子信息。然而,传感器的使用会增加电机的尺寸和重量,并使系统的可靠性下降。因此,论文分别研究了在低速域、中高速域和宽速域的无传感器算法。在分析永磁同步电机基本数学模型后,构建了一个有传感器矢量控制系统,优化了系统转速控制环、电流控制环的控制参数,并通过仿真分析了该系统的动态性能。在研究低速域无传感算法时,通过注入频率、幅值相同的高频电压信号,经仿真对旋转高频电压注入法和脉振高频电压注入法的性能进行了对比研究,得到脉振高频电压注入法对电机运行干扰更小的结论,并总结出脉振高频电压注入法性能同转速的非线性关系。在研究中高速域无传感器算法时,通过理论分析及仿真实验对比,得出滑模观测器法相对模型参考自适应法鲁棒性更强、所需算力更少的结论,并总结出滑模观测器法性能同转速的非线性关系。针对传统滑模观测器中符号切换函数导致的抖振问题,在使用分段切换函数降低系统抖动的基础上,提出一种新型分段切换函数,在降抖的同时保证了滑模观测器的趋近速度。在研究宽速域复合无传感器算法时,针对线性加权复合无传感器算法存在的加权函数为多段且不契合两种算法性能与转速非线性关系的缺陷,提出一种在宽速域内对脉振高频电压注入法和滑模观测器法两种算法非线性加权的复合算法,不仅实现了对转子信息的精确观测,而且在简化线性加权复合算法的同时能够平滑地切换两种算法,其在中高速域误差能控制在2%以内,过渡速域稳态误差值相对降低10%左右。

关键词： 数字下变频器   CORDIC算法   数控振荡器   半带滤波器   多相抽取滤波器   ASIC设计  

摘要： 随着新一代移动通信技术的发展,模数转换器(ADC)的速率和精度越来越高,其与相对低速的数字信号处理(DSP)设备之间的矛盾日益严重。因此,数字下变频器(DDC)应运而生,并逐渐被广泛应用于高速率、高频段的通信系统中。在射频接收机中采用的数字下变频器,用于将ADC采样输出的信号进行解调,在还原出原信号的同时进行降采样,降低其采样率和数据量以后再输入DSP设备中,便于对信号进行数字信号处理。本文基于65nm CMOS LP工艺,利用坐标旋转数字计算方法(CORDIC),采用ASIC实现形式设计出可工作在两种不同抽取模式下的DDC。 DDC分为数控振荡器(NCO)和抽取滤波器组两个模块。首先基于CORDIC算法对单个NCO进行设计,通过MATLAB进行系统级仿真,验证CORDIC算法实现NCO并进行混频的可行性,随后利用Verilog HDL对NCO进行设计。NCO包括相位累加器、映射模块、相位振幅映射器以及逆映射模块。为了解决组合逻辑较大和迭代次数较高带来的采样率较低的问题,本设计采用流水线结构以硬件资源为代价换取速度,同时还采用8路时间交织结构提高采样率。 本文采用转置型结构设计半带抽取滤波器组。首先利用MATLAB计算选取滤波器的阶数、抽头系数并对抽头系数进行量化,随后通过Verilog HDL对抽取滤波器组进行设计。设计中采用多相抽取滤波器在不影响结果的前提下减少不必要的滤波运算,从而减少硬件资源的消耗、寄存器翻转功耗以及面积。 本文基于65nm CMOS LP工艺完成数字下变频器的电路及版图设计,NCO模块通过8路时间交织可在375MHz的时钟频率下输出最高1.5GHz的信号,频率分辨率约为63.58Hz,通过调整频率控制字可在63.58Hz至1.5GHz的范围内调整输出频率,输出信号的SFDR可达98d Bc;抽取滤波器组模块的阻带衰减可达78d B,通过调整滤波器控制字可选取4倍或8倍抽取。DDC通过频率控制字控制NCO的频率与输入的已调信号进行混频,通过滤波器控制字选择抽取倍数,输入信号为16位有符号数,输出信号为32位有符号数。仿真结果显示,在输入信号为3GSps采样率下,下变频因子分别为4和8时,输出信号的采样率分别为750MSps和375MSps,对应的通带分别为300MHz和150MHz,版图面积为2545.6μm×2545.2μm,功耗为859m W,均满足指标要求。

关键词： 协作机器人   低压伺服驱动器   整体设计   矢量控制  

摘要： 随着工业的快速发展，越来越多的工业生产现场要求人机协作，即机器人操作系统与人之间进行密切的交互，包括人—机械手的直接接触。在这种情况下，如何保障工作人员的人身安全成为了目前急需解决的问题。驱动器作为机器人的关键部件之一是提高协作机器人安全性的重要部分。在协作机器人中，需要工业以太网技术将多个伺服驱动器与控制器连接。EtherCAT总线通信技术具有快速和高同步性的优点，已广泛应用在协作机器人伺服驱动器中。　　本课题针对协作机器人提高通信性能和安全性的需求，对基于EtherCAT的安全型低压伺服驱动器进行研究。首先分析了低压伺服驱动器的实际需求，根据实际需求对相关理论进行了探讨，确定了低压伺服驱动器的整体设计，以TI公司的TMS320F28335芯片为伺服驱动系统的核心，选用倍福公司的ET1100芯片作为EtherCAT从站控制器，完成了低压伺服驱动器安全功能设计。其次完成了安全型低压伺服驱动器的硬件和软件设计，包括三个部分:矢量控制、EtherCAT从站、安全功能。其中，实现矢量控制和EtherCAT部分的硬件和软件设计是电机能被正常驱动和伺服驱动器通讯的基础。安全转矩关断(STO)功能硬件设计和安全逻辑软件设计能够使电机及时停止转动，抱闸电路硬件设计和相关时序设计能防止机械臂下坠，从而保障工作人员的人身安全。最后搭建了协作机器人关节的伺服驱动器测试平台，验证了各功能模块设计的准确性，实验证明了该设计方案的可行性。　　本课题在现有的伺服驱动器的基础上，针对协作机器人急需提高安全性的实际问题,提出了一种安全型低压伺服驱动器的设计方案，并严格根据国际安全标准ISO13849进行安全功能的硬件和软件设计。经过实验验证，该设计方案满足安全型低压伺服驱动器的设计标准，安全功能的设计有效提高了人机协作的安全性，实现了保护工作人员人身安全和避免设备损坏的目的。

关键词： 堆取料机   PLC   变频器   现场总线   CMS  

摘要： 臂式斗轮堆取料机是一种主要用于冶炼、港口、矿山等行业,在条形堆场中连续传输矿石等干散货的重要流程机械设备。堆取料机稳定的控制系统,对提高设备运行的可靠性以及保障矿石原材料传输供应的连续性、稳定性,有着重要意义。本文在剖析堆取料机机械结构、功能原理、工艺流程的基础上,设计了堆取料机的电气控制系统,包括机构配电方案、液压传动方案、硬件选型、网络通讯方案以及软件程序设计。控制系统以PLC为核心,以现场总线作为连接外部设备和PLC主从站的通信工具。控制系统采用变频和比例流量调速系统、编码器检测系统、故障状态人机界面技术以及各类安全保护装置等,各机构自动控制程序大大提高了系统可靠性。最后,在现场进行了安装、调试、改进和完善,开展了单独机构和整机联动试车试验。试车结果验证了控制系统的安全性和可靠性,提升了堆取料机的效率,满足生产要求。在硬件设计方面,通过应用现场总线、变频器、软启动器、比例调速阀、编码器等,对斗轮堆取料机实现实时监视、控制及综合管理,PLC接口可通过各种通讯协议与外部设备进行通讯。在软件设计方面,使用梯形程序,并由配套专业软件编成,使用、维护简单,故障点查找、检测快捷。通过应用集软件开发、网络通讯、虚拟现实仿真、HMI、数据管理等多项功能技术于一体的大型设备管理监视系统CMS,实现设备运行状态监视、故障排查、维护提醒、生产记录的一体化管理,大大地提升了堆取料机控制系统的先进性。

关键词： 新冠肺炎   疫苗接种   基本再生数   最优控制   敏感性分析  

摘要： 新冠肺炎是全球性的公共卫生问题,新冠肺炎是由新型冠状病毒引起的急性呼吸道传染病,新型冠状病毒的传播速度快,传染性强是导致重症病例和死亡病例的重要原因,所以本文针对新型冠状病毒引发的新冠肺炎的动力学模型进行分析讨论.新冠疫苗于2020年12月上市,疫苗接种为新冠肺炎模型的建立和分析提供了一个方向,所以在模型中加入了接种者类.在本文的两个模型中都利用了下一代特征矩阵求得模型的基本再生数并且通过Liapunov稳定性定理以及La Salle不变集原理证明了:当基本再生数小于1时,模型的无病平衡点是全局渐近稳定的;当基本再生数大于1时,无病平衡点是不稳定的,模型存在唯一的地方病平衡点.本文分五部分进行讨论.第一部分讲述了新冠肺炎的防控策略及流行趋势,介绍了新冠肺炎的研究现状和本文研究内容;第二部分给出了模型分析中应用的主要工具;在第三部分中,假设有症状的感染者在医院隔离接受治疗,经过治疗恢复的人群可能再次成为易感者,建立了易感者接种疫苗的传染病模型,并对模型进行定性分析、参数敏感性分析及最优控制策略分析;在第四部分中,假设没有做好隔离措施的有症状感染者感染易感者和接种者,建立了易感者直接被隔离的传染病模型,并对模型进行定性分析、参数敏感性分析及最优控制策略分析;第五部分是本文总结.