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关键词： 倒向重随机系统   时滞倒向重随机系统   平均场时滞倒向重随机系统   非零和微分对策   近似最优控制  

摘要： 本文主要研究了重随机系统的最优控制问题和近似最优控制问题。我们针对重随机系统的状态过程是否含有时滞变量和时滞变量不同的情况进行了探讨。讨论了不同情况下重随机系统的非零和微分对策问题,并在此基础上针对系统最优控制不存在或不易求得时,讨论了系统的近似最优控制问题。首先我们研究了倒向重随机系统,探讨了此类系统的非零和微分对策问题。引入相应的代价泛函,利用经典的凸变分技术和对偶方法给出纳什均衡点存在的必要条件。并利用目标泛函和纳什均衡点的定义,结合系统对应的变分方程给出了系统对应的伴随方程,进而得到纳什均衡点存在的必要条件。最后我们将所得的结果应用于一类特殊的线性倒向重随机微分对策问题及金融实例,给出了系统对应的纳什均衡点的具体形式。考虑到时滞的影响,我们针对受控系统中包含时滞变量且时滞变量不同的情况,构造了一种由一个重随机微分方程和三个简单微分方程组成的新型的伴随方程。在此类方程解存在的适当前提下,利用对偶方法和凸变分技术推导出类似随机最大原理的纳什均衡点的必要条件和验证定理。探讨了含有时间延迟的重随机系统的非零和微分对策问题。最后将所得的结果应用于一类线性时滞倒向重随机系统的非零和对策问题及金融实例,验证结果的有效性。为了减少随机性之和对系统的影响,以平均场时滞倒向重随机系统为研究对象,研究了此类系统的非零和微分对策问题。我们延用第三部分的方法,讨论了系统包含不同的时滞变量时纳什均衡点存在的必要条件和充分条件,即验证定理。将所得的结果应用金融实例来验证结果的有效性。文章的最后研究了具有凸控制域的线性时滞重随机系统的近似最优控制问题。在研究过程中,讨论了所有的时滞延迟变量各不相同的情况,利用Ekeland变分定理,并对系统对应的状态和伴随过程进行估计,得到了控制近似最优控制的最大值原理。

关键词： IGBT串联均压   有源钳位电路   驱动延时调节   参数优化   钳位时间检测与提取  

摘要： 中高压电力电子变换器作为电能转换的核心装备得到了广泛应用,其电压等级需求也越来越高。直接将多个绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)串联是提高变换器电压等级最简单直接的办法,但IGBT串联会面临电压不均衡问题。现有的均压方案各有优缺点,为优化均压效果常将多种方案结合使用,其中,有源钳位与驱动延时调节相结合的复合均压控制既有钳位电路的动作迅速、可靠性高的优点又具有驱动延时均压控制的主动性和精确性等优点,是适用于工程应用的优选方案。因此,本文针对有源钳位与驱动延时调节相结合的复合均压控制方式,围绕三个主要环节:有源钳位电路、钳位时间检测电路和驱动延时均压控制,进行了深入研究。首先详细分析了单阈值有源钳位、单阈值有源钳位带RC和双阈值有源钳位这三种典型钳位电路拓扑的均压工作模态;接着从电压上升速率、电压钳位限幅值和开关损耗、静态均压能力几个方面对三种拓扑进行了比较。分析结果指出,双阈值有源钳位拓扑具有减缓电压上升速率、电压峰值限幅和静态均压的特性,是采用复合均压控制方案的优选拓扑。现有的双阈值钳位电路参数设计方法,并未考虑静态均压的功能,并且得到的参数选取范围过大,不便于参数的准确设计。为此,本文提出一种考虑静态均压的参数设计方案,将钳位电路的击穿电压阈值设计在母线电压的二分之一以下即可在不采取任何功率侧静态均压措施下实现IGBT串联静态均压。采用实验手段研究了钳位电路关键参数对均压效果及开关损耗的影响,并以此为依据对参数选取范围进行了优化,便于参数的准确设计。最后通过实验证明了按所提参数优化方案设计后的钳位电路既可实现静态均压又显著减小了动态过程的最大电压差和开关损耗。复合均压控制对钳位时间检测提取的抗干扰和精度要求较高,负载电流影响下的钳位时间差与驱动延时值间的关系需进一步探究,常规比例积分(Proportional Integral,PI)均压控制器无法在均压稳定性和快速性间折衷。为此,本文首先给出了钳位时间检测电路设计方案,重点讨论了寄生参数干扰下的检测阈值设计原则;然后结合现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)完成了多重干扰下有效钳位时间的提取并将提取精度精确到1。经过大量的实验测试,总结出了不同负载电流影响下钳位时间差与驱动延时值间的模型曲线,基于此给出了适合不同负载电流工况的二分搜索均压控制器。实验验证了基于钳位时间差反馈的驱动延时均压控制的可行性,同时证明了二分搜索控制器相较于固定参数PI控制器有更好的均压性能,能兼顾均压快速性和稳定性。

关键词： 双三相永磁同步电机   PWM策略   矢量控制   谐波电流抑制   无位置传感器控制  

摘要： 随着现代电力电子技术、微电子技术以及控制理论的发展,交流传动系统的设计已经不再受传统三相供电方式和电机相数的制约。多相电机具有转矩脉动小、可靠性高、可实现低压大功率运行等优势,在水下舰艇,航空航天,新能源汽车等大功率传动领域的应用越来越广泛。然而,由于多相电机的谐波子空间的阻抗较小,电机本体及逆变器的非线性因素会导致电机的定子绕组中会存在较大谐波电流。同时,机械位置传感器的使用会严重降低系统在极端工况下的可靠性。因此,本文以相移30的表贴式双三相永磁同步电机为研究对象,对其谐波电流的抑制方法和无位置传感器控制策略展开研究。首先,建立自然坐标系下相移30°的双三相永磁同步电机的数学模型,并分别基于双dq坐标变换和空间矢量解耦对其进行降阶解耦;分析双三相永磁同步电机的基本空间电压矢量,并比较两矢量SVPWM、四矢量SVPWM、三相解耦SVPWM的优缺点;分别建立基于双dq坐标变换和空间矢量解耦的两种不同的矢量控制系统,并分析它们的联系与区别,为后续的研究提供理论基础。其次,分析双三相永磁同步电机定子绕组中会产生较大的5、7谐波电流的原因,并研究一种新型同步旋转坐标变换矩阵,将谐波子平面的5、7次谐波电流转换为6次交流分量。在四维电流控制和三相解耦SVPWM的基础上,基于陷波频率为6倍基波频率的变步长单频自适应陷波器对谐波子空间的电流环进行改进,通过LMS算法迭代调整出所需补偿电压的幅值和相位以实现对5、7次谐波电流的抑制。接着,研究双三相永磁同步电机全速域的无位置传感器控制策略。在零速及低速段,采用改进型脉振高频注入法辨识转子位置,改善了传统脉振高频注入法过于依赖电机凸极效应的缺点以及低通滤波器的使用所导致的相位延迟问题;在中高速段,采用高阶滑模观测器估计转子位置,改善了滑模固有的抖振问题,并提升了转子位置的辨识精度;在低速向中高速切换的过渡段,根据电机的估计转速,采用加权切换的方式实现了适用于不同转速段的无位置传感器控制策略的平滑切换。最后,搭建了双三相永磁同步电机的实验平台,通过实验比较双三相永磁同步电机的不同控制策略以及不同PWM策略的性能,并验证了本文提出的谐波抑制方法以及全速域的无位置传感器控制策略的有效性及可行性。

关键词： 轨迹优化   最优控制   配点法   C++   超对偶数  

摘要： 轨迹优化在航天航空等领域具有重要应用背景,可以从软件层面提升飞行器的性能。本研究从两方面展开工作:一是对基于配点法的轨迹优化方法进行改进,提升配点法的效率,拓展配点法的功能;二是使用C++语言开发通用的轨迹优化程序,进一步提升轨迹优化的效率,同时使其具有移植到嵌入式平台的潜力。论文的主要研究工作包括: (1)论文研究的轨迹优化方法集成了三种离散格式(多区间Radau伪谱格式、梯形格式和Hermite-Simpson格式),在精度和效率之间具有很好的灵活性。本文以梯形格式为例,给出了非线性规划(NLP)的偏导数和稀疏型推导过程,以提高轨迹优化的计算效率。 (2)针对目前轨迹优化方法对二阶偏导数的稀疏型识别不够准确的问题,论文引入基于超对偶数的二阶偏导数稀疏型识别方法,得到了准确的稀疏型,减少了偏导数计算量。 (3)针对控制变量突变的问题,本研究引入了控制变量斜率约束,并将其加入到NLP约束中。研究结果表明,该方法避免了虚拟控制变量突变现象,在避免震荡现象后,可有效减少优化时间。 (4)针对主流轨迹优化软件采用MATLAB开发,运行效率不够高并且缺乏在线运行潜力问题,本研究采用C++语言开发了具有良好通用性的轨迹优化程序,并在嵌入式环境下进行了仿真验证。研究结果表明,与MATLAB开发的软件相比,使用C++开发的轨迹优化程序可将优化效率提升大约3～5倍,并且具有在嵌入式开发板运行的能力。

关键词： 布鲁氏菌病   最佳策略   动态价格   利润最大化   Pontryagin最大化原理  

摘要： 自2018年以来,在中国布鲁氏菌病出现了再次爆发的迹象,布鲁氏菌病总是对人类健康和畜牧业的盈利能力造成沉重的损害.在以往的传染病问题研究中只关注到疾病的控制情况与控制成本,却忽略了养殖户的利润获得因素.对于养殖牲畜的养殖户而言,主要的经济来源是出售牲畜,当牲畜群体出现疫病时,如没有政府的补贴政策,养殖户们必不可少的要承担控制疫病的花费,与此同时,会影响到牲畜的出栏数量和出栏价格,从而影响利润的获得,因此,在研究布鲁氏菌病的控制策略时需要考虑养殖户的利润收入因素.鉴于此,本文考虑在种群建模以及疾病动力学建模时加入经济因素以及养殖户的主观行为影响,应用最优化理论对最优养殖策略和最优控制策略进行分析研究.第二章考虑牲畜群体没有出现传染病时的最优养殖策略.选择合适的价格模型,结合养殖户行为建立了两种养殖模型.在模型的基础上提出四种最优养殖策略,运行Pontryagin最大化原理通过控制牲畜的出栏率和养殖规模来实现最佳的养殖策略,其存在性被证明.最后模拟了供求大于需求和供求小于需求的两种背景情况,基于四种策略的利润找到了最适合这两种情况的策略.由此得出结论:在恒定价格下的最优策略并不总是合理的;价格对牲畜的调控影响可以促进更快的供需平衡;考虑价格因素改变养殖情况可使养殖户收益增加,为了获得更多的利润,畜牧业应该合理调整农场的生产力;有必要计算不同行为条件下的最优策略结果从而获得最优的养殖策略.第三章在第二章的基础上考虑当牲畜群体出现传染病时的最优养殖控制策略.结合经济因素,养殖户行为和布鲁氏菌病传播机制建立动力学模型,进行动力学分析,利用Pontryagin最大化原理得出最优策略的理论结果,并证明了它的存在唯一性.为了验证该理论的准确性和适用性,基于宁夏价格数据和受感染者数据采用最小二乘法对模型进行了模拟.模拟结果表明布鲁氏菌病正在宁夏爆发,必须调整目前的控制政策.敏感性分析表明,经济因素对疾病的爆发有一定的影响.对三个控制项(减少易感动物与感染动物的接触,接种疫苗,减少布鲁氏菌的排放)进行组合,从利润和感染布鲁氏菌家畜数量的角度评价宁夏的最佳控制策略,结果表明在所有的控制策略中联合实施三项控制措施是最优的,在最优控制策略下,疾病得到一定的控制,但是获利会减小,因此由于养殖户养殖以营利为目的,在利益最大化的驱使下对疾病的防控不利,故而控制疾病需结合政府补助及其强制措施.

关键词： 自主泊车系统   全局规划   OpenPlanner   Hybrid A*   最优控制  

摘要： 随着经济建设的稳步推进,全国汽车保有量逐年攀增。但由于泊车技术门槛高与城市停车场建设不足,“停车难”成为城镇化进程急需解决的难点问题。自主泊车技术可在无人接管条件下实现智能车的自动泊停和一键召唤,能有效缓解交通拥堵和停车难问题。因此,本文以自主泊车系统规划算法为研究对象,将自主泊车过程分为行车阶段和泊车阶段,并对停车场环境下智能车的行车阶段全局规划、行车阶段局部规划及泊车轨迹规划展开研究。主要研究内容如下:(1)自主泊车系统架构设计与模型分析。确定模块化的自主泊车系统整体架构,并分别搭建行车阶段和泊车阶段规划算法框架。基于阿克曼转向原理完成车辆简化模型的运动学分析。对比典型环境地图建模方法,并基于栅格图提出包含静态层、动态障碍物层、膨胀层和中心线层的分层地图构建方法。使用ROS操作系统搭建停车场仿真场景以验证算法性能。(2)自主泊车系统行车阶段全局规划算法实现。曼哈顿距离作为节点启发式代价,节点实际代价引入父节点和子节点朝向偏差项,完成传统A*算法改进,改进A*算法在长度相近情况下可大幅降低全局初始路径转折次数。提取初始路径转折角度大的关键点,并在转折处进行最小转弯半径圆弧拟合。采用三次B样条完成全局路径平滑处理。ROS仿真实验表明全局规划算法可快速规划符合交通规则的航向和曲率连续的光滑路径。(3)自主泊车系统行车阶段局部避障算法实现。通过双层局部路径簇设计和路径簇纵向采样距离随车速的分段线性变化优化传统OpenPlanner避障算法状态采样过程。而评价函数除中心线代价、过渡代价和障碍物代价外引入曲率代价,实现了路径筛选过程的改进。局部规划以全局路径为参考线,采用改进OpenPlanner避障算法筛选最优局部路径,ROS仿真实验验证了算法可行性。(4)自主泊车系统泊车阶段分层规划算法框架搭建。泊车规划分为路径生成和轨迹规划两部分,将自适应采样步长策略引入后继节点扩展过程以实现传统Hybrid A*算法改进,改进算法可大幅缩短泊车路径求解时间。将泊车轨迹规划建模为最优控制问题,目标函数包括时间项和控制输入项,约束条件包括车辆运动学约束、状态量和控制量约束、边值约束以及碰撞约束。以改进Hybrid A*算法泊车路径为初值,借助IPOPT优化库完成泊车轨迹解算。仿真结果已验证分层泊车规划算法在不同类型车库下的有效性和适用性。论文有图60幅,表9个,参考文献83篇。

关键词： DAB变换器   移相控制   电感电流有效值优化控制   解耦控制  

摘要： 双有源全桥(Dual Active Bridge,DAB)变换器由于其功率密度高,功率双向流动、电气隔离等优点被广泛应用于直流微网和电动汽车充电系统等场合,是大功率双向DC-DC变换器的主要研究对象。因此本文以DAB变换器及其模块化结构为研究对象,深入研究了其工作原理、功率传输特性、电感电流工作特点等内容,对功率损耗进行了优化。针对输入串联输出并联(Input-Series OutputParallel,ISOP)方式下构成的多模块DAB变换器,提出同时考虑功率平衡的优化控制方法。本文首先分析了传统单移相控制下DAB变换器的工作原理及其工作特性,指出传统控制方法下,在电压传输比不匹配时DAB变换器传输效率较低。针对此情况,本文基于三重移相控制,对DAB变换器的多种工作模式进行划分,以电感电流有效值最优为目标,给了优化方程,并分别在电压传输比大于1和小于1两种情况下,分析得到了全功率范围下电感电流有效值最小的最佳移相比组合。根据提出的优化控制方法,本文还分析了升降压模式的对偶性并对DAB变换器三重移相优化控制进行了闭环控制设计,最后搭建仿真平台进行验证。在大功率应用场合下,为实现高电压输入大电流输出,通常采用输入串联输出并联双有源全桥(Input-Series Output-Parallel Dual Active Bridge,ISOP-DAB)变换器。模块化系统的参数差异会导致各模块功率不均现象,为解决上述问题,对双环控制的稳定性进行了分析,选择控制各模块输入电压均压来实现功率平衡。通过分析ISOP-DAB变换器的数学模型解释了输入输出的耦合现象,同时结合三重移相控制下的电感电流有效值优化控制,提出了电流有效值最优下的双环解耦控制方法。此外,进一步理论分析了模块化结构下交错控制的优点以及对电流纹波的影响,最终通过仿真验证了此控制方法的可行性。最后,论文搭建了一台两模块DAB变换器样机,该样机平台采用现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)实现三重移相优化控制,利用此平台首先验证了DAB变换器在不同电压传输比下的三重移相优化控制,实现了不同功率下的效率提升。接着对两模块ISOP-DAB变换器进行均压和电感电流有效值优化控制的实验验证,对比不同控制方式下的输入电压均压情况以及电流有效值大小,验证了本文所提出的三重移相优化下的双环解耦控制方法的有效性。

关键词： 轮腿式机器人   数据驱动控制   最优控制   输出调节   自适应控制  

摘要： 随着机器人的发展,两轮轮腿式机器人因具备移动速度快和通过性强的特性而备受关注。基于模型的控制方法会因为建模偏差、模型参数不准确、外界干扰等因素出现控制性能下降的现象。机器人通过数据驱动的非模型方式自学习出最优控制器,对其在实际场景中的应用有一定的价值和意义。在已有的两轮轮腿式机器人的论文成果中,Ascento机器人的论文中只介绍了固定姿态下的平衡控制及其结构描述,没有对上述两个问题做展开研究;第一代Ollie机器人发布的论文通过设计控制器延伸了稳定的控制域,也没有针对性的对上述两个难题提出系统性的解决方法。相关研究的不足之处如下:(1)已发表的两轮轮腿式机器人的研究成果多集中于介绍机器人本体结构的优化设计和针对传统的基于模型的控制方法进行人为偏差补偿;(2)没有提出系统性的方法解决模型不准确和模型参数不精准所带来的控制性能下降的问题。通过查阅大量文献和实际应用结果对比,提出并首次应用了自适应动态规划(Adaptive Dynamic Programming)和自适应最优输出调节(Adaptive Optimal Output Regulation,AOOR)方法到Tencent Robotics X实验室自研的两轮轮腿式机器人Ollie上。结合这两种理论和第二代Ollie的实际情况,设计了对应的自迭代策略以解决上述提到的两轮轮腿式机器人的自适应平衡和速度调节问题。该方法具备所需数据量少、可在线收集数据、在线迭代的优点。其中,AOOR是一个针对线性系统的控制理论,通过和作者沟通,其首次被应用于两轮轮腿式机器人上。这两种方法可以根据机器人当前实时的状态信息自动迭代出最优控制器,无需依赖于机器人的精确建模以及模型参数的准确获取,解决了上述所提的两个难题。通过四个场景和一个平衡滚杯应用的对比实验,本文创新点如下:(1)基于数据驱动的ADP控制器能让机器人保持自适应平衡,解决了控制器性能受精确建模和模型参数准确度影响的难题;(2)基于数据驱动的AOOR控制器实现了自适应的速度调节,让机器人稳定停在原地,不再需要对不同姿态下的机器人进行手动补偿;本文只重点研究了机器人保持直立时的线性系统区间,如何解决线性区间以外的两轮轮腿式机器人的控制问题,也是该类机器人以后为实际应用落地所应考虑的问题。

关键词： 无刷直流电机   滑模观测器   无位置传感器   矢量控制   锁相环  

摘要： 近年来,无人机(unmanned aerial vehicles,UAV)在军事、农林和矿工产业等领域有着广泛的应用。无刷直流电机具有高功率密度结构简单的特点在农业植保无人机动力方面有着广泛的应用。无位置传感器控制不仅可以降低整个系统的成本而且可以应对植保无人机工作在复杂的工作环境下的要求,所以本文以无刷直流电机作为研究对象,分别在低速I/F(电流频比控制)、中高速滑模观测器算法、硬件电路设计和软件程序方面进行了研究,主要的研究内容如下:(1)本文推导了无刷直流电机在三相静止坐标系下、两相静止??坐标系下和两相dq旋转坐标系下的数学模型,并建立了无人机桨叶的负载模型,阐述了无刷直流电机矢量控制的原理,搭建并验证了双闭环矢量控制的仿真模型。(2)本文分析了低速阶段采用的I/F控制方式和中高速阶段采用的滑模观测器的原理。在双闭环矢量控制调速系统的基础上,构建了传统滑模观测器,分析了传统滑模观测器中存在的抖振以及转速估计误差大的原因。针对这些问题本文进行了改进,使用变趋近律和饱和函数替代传统滑模观测器的固定增益和符号函数,针对反电动势提取过程中存在的误差,设计了基于模型参考自适应的反电动势观测器,最后通过锁相环的方式提取电机转速和转子位置。仿真结果表明,通过本文的改进措施转子位置最大估算位置误差降低了50%。(3)本文针对植保无人机动力系统设计并制作了以STM32F407IGT6为主控芯片的无人机动力系统硬件控制器,包括电源电路、半桥预驱动电路和驱动电路、模拟量采样电路、过电流保护电路、通信和程序下载电路。软件方面采用高内聚、低耦合的编程思想,分模块设计了全速域无位置传感器的控制方案。最后,根据仿真实验和应用背景,搭建了实验平台,对控制器的硬件和软件进行了调试,分析了实验数据波形,验证了本文提出的控制方案的可行性。将电机估算的转子位置与霍尔信号进行了比较,估算转子位置滞后霍尔位置信号0.1600ms/周期,满足控制系统的要求。

关键词： 推力矢量控制技术   扰流片   悬浮火箭   推力调节模型   悬浮机动  

摘要： 本文通过分析一种三扰流片机构在矢量方案下的控制力矢量特性,建立基于Simulink平台的推力调节模型。该模型调节主推力产生俯仰、偏航、高度通道的推力分量,控制悬浮火箭在平飞段悬浮机动飞行。将该模型应用于飞行控制系统,弹道仿真结果表明模型能够根据目标位置快速、准确地实现姿态调节和高度控制。论文完成的工作主要有:首先建立三扰流片矢量发动机仿真模型,通过数值仿真结果分析侧向控制力和轴向推力损失的变化特性;其次拟合数据得到推力调节幅度关于伺服位移的函数关系式,将推力矢量和调节规律相联系,结合矢量方案建立推力调节模型;最后将推力调节模型在Simulink平台加以实现,通过弹道仿真结果评估模型的有效性。论文研究获得的结论如下:(1)三扰流片机构的侧向力主要由扰流片非同步偏转产生,喷管扩张段壁面产生的侧向力几乎为0。扰流片非同步偏转过程中片间干扰较小,片间干扰造成的误差在3%以内,近似可以忽略。(2)在伺服机构进行20mm以内的小位移调节时,扰流片造成的推力损失与伺服位移近似呈线性关系,按线性拟合得到的推力损失计算式计算误差不超过5%。(3)定义推力调节幅度为控制力与未调节主推力的百分比,推力调节幅度近似可按位移的线性函数拟合,线性拟合造成的误差不超过5%。(4)拟合得到反映扰流片机构调节规律的位移-调节幅度函数关系式,根据期望推力指令建立期望推力调节幅度关于位移的方程反向求解位移,方程中位移的解具有唯一性。据此建立推力调节模型,模型根据俯仰、偏航、高度通道的期望推力指令综合解算伺服位移,从而驱动扰流片实现推力调节。(5)弹道仿真结果表明,推力调节模型输出的推力矢量能够良好跟踪期望推力指令,模型响应快,响应时间不超过100ms。悬浮火箭的姿态角最终趋于目标值、高度维持在期望高度,表明模型能够准确实现姿态调节和高度控制。