教学课程资源库 更多>>

关键词： Ensemble bagged   fault diagnosis   open-circuit fault   voltage source inverter   IGBT  

摘要： Three-phase converters based on insulated-gate bipolar transistors (IGBTs) are widely used in various industrial applications. Faults in IGBTs can significantly affect the operation and safety of the power electronic equipment and loads. It is critical to accurately detect power inverter faults as soon as they occur to ensure system availability and high-power quality. This study provides a novel integration of signal and data-driven fault-diagnosis approaches for detecting open-circuit switch faults in three-phase inverters. The proposed technique uses the average root-mean-square (RMS) ratio of the phase current as the key extraction feature. This feature can be used to estimate the fault types and faulty switches (es) irrespective of changes in the running load. Ensemble-bagged machine learning classification was used to accurately predict the faulty switch of the inverter. The results demonstrate the ability of the proposed fault diagnosis technique to identify single-, double-, and triple-switch fault (s). The experimental results also attested to the simulation of multiple fault diagnosis. A unique feature of this technique is its ability to estimate faulty switches under various inverter-operating conditions.

关键词： 无线电能传输   抗偏移特性   阻抗匹配   移相控制   扩展描述函数法  

摘要： 无线充电技术为电动汽车的充电难题提供了全新的解决方案,近年来成为研究热点。目前主要问题在于电动汽车在静态无线充电过程中手动泊车的偏移和汽车底盘高度差异会影响耦合机构的耦合系数,进而影响无线充电过程的传输效率和功率,造成充电过程的不稳定。针对这些问题,对耦合机构的抗偏移特性进行了研究,对充电线圈偏移及负载阻值变化造成的功率、效率不稳定问题进行阻抗匹配研究。主要研究内容如下:提出一种抗偏移特性更为优异的非对称平面螺形线圈结构。通过电磁理论计算发现对单匝圆形线圈来说,采用原边线圈大、副边线圈小的非对称线圈的抗偏移特性更好,然后在Ansys Maxwell软件中搭建了实际充电常用的平面螺形线圈模型,发现此结论同样适用于平面螺形线圈,原边线圈半径35cm、副边线圈半径25cm的平面螺形线圈抗偏移特性明显优于原副边线圈半径均为25cm和均为35cm的对照组。提出采取最大效率追踪和最大功率追踪切换的阻抗匹配方法,二者可以自由切换,满足无线充电系统对恒功率和高效率的双重要求。在SS型磁耦合谐振式无线充电系统中,存在唯一最优负载使系统传输效率最大。当耦合较弱时,系统输出功率较高,传输效率偏低,通过调节双管Buck-Boost变换器的占空比改变负载的等效阻值,使其等于最优效率电阻,进行最大效率追踪。当耦合较强时,进行最大效率追踪难以避免频率分裂现象,通过分析频率分裂现象产生的原因,提出通过增大系统等效负载,使其等于期望功率电阻的最大功率追踪策略,有效抑制了频率分裂现象,提高了输出功率。以耦合系数0.167为界设置最大效率追踪和最大功率追踪的切换点,并结合逆变器的闭环移相控制实现恒功率输出。通过扩展描述函数法构建了系统小信号模型,求出了逆变器移相角对输出电压的传递函数并通过配置零极点进行校正,通过电压闭环实现了恒功率控制。在Matlab/Simulink搭建了MCR-WPT模型,仿真结果表明在负载从2Ω到5Ω变化,耦合机构处于无偏移状态、水平方向偏移10cm、垂直方向偏移5cm、最大偏移状态时,输出功率均能维持在3.5k W,传输效率始终在89%以上。

关键词： 随机传染病模型   平均场   最优控制   数值正解   有限时间收缩稳定  

摘要： 传染病不仅严重威胁人类的健康,而且会影响社会经济发展.自2019年12月以来,由新型冠状病毒引起的COVID-19在全球范围内迅速传播,对人们的生命安全和经济发展产生重要影响.数学模型可以刻画传染病动力学行为,并帮助建立预防和控制措施.因此,需要加大对传染病模型定性和定量研究,为预测疾病的传播趋势及建立最优控制策略提供理论基础.本文基于Markov切换、Lévy噪声、脉冲、时滞等复杂现象,给出两类随机传染病模型,提出一些有效的数值分析与最优控制策略,建立了随机易感-感染-接种(SIV)和易感-潜伏-感染-恢复(SEIR)传染病系统的控制理论.主要研究内容如下:(ⅰ)在确定性传染病模型基础上,建立具有Markov切换的随机SIV流行病模型.利用对数截断方法和Euler-Maruyama(EM)数值方法,构造对数截断EM数值格式,不仅实现数值解一阶收敛精度,而且能够保证随机SIV流行病模型数值解的正性.同时研究了具有Markov切换随机SIV流行病模型不变测度的存在性.数值分析结果表明,对数截断保正的数值格式能够实现精确解的快速收敛.(ⅱ)综合考虑反应扩散、脉冲、时滞和随机扰动的影响,提出一类随机SIV流行病系统.对于不稳定的随机SIV流行病系统,给出一个反馈控制使系统达到收缩稳定.利用比较原理,研究了随机SIV流行病系统有限时间收缩稳定的充分条件.通过数值模拟,说明脉冲、时滞和噪声对系统有限时间收缩稳定性的影响.(ⅲ)基于经济活动对传染病传播的影响,建立一个易感-潜伏-感染-恢复-经济(SEIRG)模型.应用Hamilton函数和极大值原理,研究SEIRG系统接近最优控制的充分条件和必要条件,并进一步给出接近最优控制策略.此外,数值结果表明经济的发展水平对疫情控制具有重要的正反馈作用.(ⅳ)应用平均场原理,建立一个参数取决于状态过程的平均场随机SIV流行病模型.通过极大值原理研究该模型最优控制的充分条件和必要条件.数值模拟显示疫苗接种对控制手足口病(HFMD)感染者数量具有显著的效果.(ⅴ)在非凸控制集假设下,研究一个状态切换下随机SIV流行病模型的松弛控制问题.采用Markov链近似法给出值函数和最优控制的数值逼近.结果表明,当连续时间插值h趋于0时,数值逼近格式收敛到最优控制策略.

关键词： 三相逆变器   IGBT开路故障诊断   蛇优化算法   支持向量机  

摘要： 随着科技的高速发展,逆变器已经广泛的应用于军工、航天、轨道交通、家用电器等领域,逆变器具有DC/AC变换功能,是电力设备功率变换的核心器件,所以保证逆变器运行的安全性,可靠性是非常有必要的,因此,对逆变器进行故障诊断研究有重要意义。本文以三相两电平逆变器为例,研究基于支持向量机(Support Vector Machine,SVM)的逆变器IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)开路故障诊断方法,针对传统SVM的采用较多固定参数的缺陷,提出了基于蛇优化算法(Snake Optimizer,SO)及改进蛇优化算法(Improved Snake Optimizer,ISO)的SVM故障诊断方法。主要研究内容如下:1)对基于集合经验模态分解(Ensenmble Empirical Mode Decompsition,EEMD)的样本熵特征提取方法和基于小波包分解(Wavelet Packet Decomposition,WPD)的能量分布特征提取方法进行对比分析,将本次试验故障数据分别进行两种特征提取方法处理,再通过SVM进行分类,结果显示EEMD样本熵的特征提取方法结合SVM故障诊断模型的准确率为81.63%,而小波包能量法结合SVM故障诊断模型的准确率达到85.54%,确定了基于小波包分解的能量分布特征提取方法在处理本次选取故障量时有更好的效果。2)设计了一种以SO算法优化的SVM中惩罚系数c和核函数g值的逆变器IGBT开路故障诊断模型,对比分析了优化前后SVM的故障诊断效果,试验结果表明:SO算法结合SVM,可以提高SVM的训练速度和诊断准确度,以小波包能量法作为特征提取方法时,结合SO-SVM故障诊断模型准确率92.53%。3)为改善SO算法前期收敛能力不足的缺点,同时进一步提高SO算法跳出局部极值的能力,提出L-S混沌映射对SO算法种群初始化进行优化,该混沌映射具有更好的均匀性和遍历行。引入自适应扰动和柯西变异策略,提高算法在迭代过程中跳出局部极值的能力,提高算法的搜索空间,可以更好的找到最优解的位置。对ISO算法和SO算法性能测试,测试结果表明ISO算法收敛速度更快。利用ISO算法优化SVM,分析对比ISO-SVM与SO-SVM两种故障诊断模型的性能。试验结果表明:结合混沌映射和多策略融合的ISO算法优化SVM有更高的准确率和鲁棒性,小波包能量法结合ISO-SVM的故障诊断模型的诊断准确率已经达到95.89%。

关键词： 三电平容错逆变器   直接转矩控制   改进型合成矢量   中点电位变系数  

摘要： 三电平逆变器具有功率开关电压应力小、电磁干扰不严重、输出电压波形的谐波含量低、工作效率高等众多优点,使得其具有极大的应用潜力。直接转矩控制借助滞环比较器对转矩、转速进行限位控制,具有响应速度快、结构简单等优点。本文研究结合两者后的新设备与控制方法在船舶电力推进领域中的应用。尽管三电平逆变器具有种种优势,但是功率开关器件数目的倍增也使其可靠性随之降低。尤其是在船舶离港期间,维修条件简单难以修理复杂故障,因此研究三电平逆变器的故障容错控制技术,提升系统运行时的可靠性对于远洋船舶具有十分重要的意义。此外,三电平逆变器存在固有的中点电位波动,这会引起波形的明显畸变,还会产生低次谐波,对船舶电力推进系统造成较大的转矩和磁链脉动,降低其转速、转矩输出性能。因此,本文设计了一种基于三电平容错逆变器的直接转矩控制,重点研究三电平逆变器的故障容错控制与中点电位波动抑制。首先,针对三电平结构中功率开关器件数目倍增导致其可靠性降低的问题,设计了改进型三电平容错逆变器拓扑结构,分析其基本工作原理,归纳其数学模型,对其故障类型进行分类、归纳与分析,设计发生单相短路故障时的保护方法。其次,针对基于三电平容错逆变器的直接转矩控制算法直流侧中点电位波动的问题,分析了中点电位波动的原因,设计了新的改进型合成矢量方法,在合成矢量序列中新引入一个与中矢量作用效果相反的小矢量,消除中矢量对中点电位影响,提升小矢量对中点电位的控制能力,并在正、负小矢量的作用时间中引入中点电位变系数,设计了电容电压滞环控制器,由电容电压、转矩、磁链三个滞环控制器信号决定的新的电压矢量开关表。该方法根据中点电位的实际情况选择不同的变系数取值,能够很好地抑制中点电位波动。最后,搭建了相关仿真与实验系统。结果数据表明,本文设计的容错型三电平逆变器与其对应的中点电位波动抑制型直接转矩控制方法可以较好地处理逆变器桥臂单相故障与中点电位波动,能够实现系统稳定性、鲁棒性和控制精度之间的平衡。

关键词： 矢量控制   全阶状态观测器   异步电动机   无速度传感器  

摘要： 异步电动机因其具有结构紧凑、稳定性好等特点被广泛地使用。在系统中使用无速度传感器相比于带速度传感器策略更具有可靠性,并且方便系统维护。基于无速度传感器的异步电机控制技术是未来变频器研究和发展的重要方向之一。本文以三相异步电动机为研究对象,对无速度传感器矢量控制策略进行了深入研究,并进行了相应的仿真与实验验证。 论文根据异步电动机在静止、旋转坐标系下的数学模型,推导出异步电动机T型等值电路。通过分析该等值电路,研究异步电动机的状态空间模型。同时本文以坐标变换理论为基础,分析转子磁链的估算策略,研究基于转子磁链定向的异步电动机矢量控制方法。 论文研究基于模型参考自适应法的异步电动机转速辨识策略,对模型自适应法中的转速自适应率进行设计,通过仿真验证理论分析。并且针对模型自适应法在低速时稳定性较差的缺点,研究基于全阶状态观测器法的异步电动机转速辨识策略。研究全阶状态观测器中反馈增益矩阵的设计方法,分析增益矩阵对控制系统稳定性的影响,最后通过仿真验证系统的准确性。 为了实现系统控制策略的数字化,在传统仿真验证方法的基础上,采用嵌入C语言的方式进行验证,便于程序之间移植。本文研究前向欧拉法和梯形法的观测器离散化方法,研究两种方法在不同运算频率下对控制系统稳定性的影响。同时根据电机内部参数变化对控制系统的影响进行研究,采用转子磁链估算值和实际值的比值作为标准,分析其幅频特性和相频特性曲线,通过仿真验证参数对系统稳定性的影响情况。 论文采用DSP 28377D作为主控芯片,设计控制器中各部分的硬件结构和软件控制环节,然后在该实验平台上完成7.5kW的异步电动机无速度传感器矢量控制实验,通过实验验证理论分析和所提控制策略的有效性。之后将基于全阶观测器的矢量控制策略应用于1.25MW的异步电动机控制中,能够达到设计指标,证明理论分析的有效性。

关键词： 毒品传播模型   稳定性   分数阶模型   最优控制   数值模拟  

摘要： 毒品滥用严重威胁社会稳定,是困扰几乎所有国家的社会问题,近年来,新精神活性物质(New Psychoactive Substance,以下简称NPS)已成为全球流行的第三代毒品,相比传统毒品,NPS外形多变,药性强烈更具伪装性,对社会造成了十分严重的危害,然而如何更加有效地管控毒品的传播还面临许多重要的挑战,基于这一问题,本文将通过建立动力学模型深入研究当今社会的毒品传播模式,模拟各种干预策略的效果.第二章为研究最有效的毒品传播控制措施,构建了一个具有媒体报道,家庭和公众教育的六维毒品传播模型,将总人口分为六类:高风险易感人群(),具有保护意识的低风险易感人群(),心理成瘾者(),生理成瘾者(),社区治疗中的毒品成瘾者(),强制戒毒治疗中的毒品成瘾者(),运用动力系统理论计算模型的基本再生数,并分析了模型平衡点的存在性和稳定性.此外,对这些参数进行灵敏度分析和数值模拟,获得了控制毒品流行的新见解,即当<1时,控制易感个体和吸毒者之间的接触比治疗更有效;当>1时,禁毒教育和媒体报道发挥更大作用,此时预防和治疗齐头并进,以更具成本效益和快速的方式遏制毒品传播.第三章在第二章的基础上建立了一种新精神活性物质(NPS)传播的分数阶模型.运用分数阶理论证明了模型的非负性和有界性.在此基础上,将预防函数和治疗函数引入模型中,建立了分数阶最优控制模型,给出了最优控制对的解,并通过对最优控制模型进行数值模拟,得到分数阶模型有助于我们更深入地分析NPS动力学模型.最后通过对三种控制策略的分析,得到最佳控制策略是预防和治疗措施的结合,在NPS传播的早期,预防比治疗更有效,此时的控制策略是投资于最大程度的预防措施和适度的治疗措施;然而,当NPS的传播呈现流行趋势时,预防措施的影响大大降低,此时的控制策略是重点加大对成瘾者的调查,提高心理成瘾者的治疗率.

关键词： 非线性退化椭圆偏微分方程   Neumann边界   最优控制   数值解   Puiseux级数   紧有限体积方法  

摘要： 本文研究了非线性退化椭圆偏微分方程约束的Neumann边界最优控制问题.首先，利用Lagrange乘子方法推导出原问题的最优性系统.其次，对于退化状态方程，根据奇异点将区域分为了奇异区间和正则区间.在包含奇异点的奇异区间中，通过恢复Puiseux级数展开式给出含有与奇异性相关的增广参变量的解的渐近表达式.在正则区间上，利用含增广变量的解的表示，构造出耦合增广变量的非线性紧有限体积格式，从而可求出方程在网格点处的数值解.然后将状态方程的解代入伴随方程中，用类似的方法，可以得到退化伴随方程的解.再根据投影方程可求出控制量.本文方法的优点是利用了 Puiseux级数解决了方程的退化性，并应用到了最优性系统中的退化状态、退化伴随方程中，有效地消除了奇异性对正则区域上数值计算的影响，从而可以在正则区域上采用均匀网格构造数值格式，最终得到了退化方程约束的Neumann边界控制问题的高精度数值解.最后根据控制是否带约束条件进行了数值实验，都得到了4阶的收敛结果，从而验证了该方法的有效性.

关键词： 退化抛物型方程   退化双曲性方程   存在惟一性   最优控制   必要条件  

摘要： 最优控制理论是现代控制理论中最早发展起来的分支之一,物理世界的许多现象都是由偏微分方程来描述的,其控制问题的研究大都有强烈的实际背景,本文讨论了退化抛物系统和退化双曲系统所施加的控制的最优控制的一阶必要条件.本论文主要分为一下四个部分:第一部分为引言部分,介绍了本文的研究目的与实际意义,交代了前人所做的工作,为后续的研究做铺垫.第二部分是预备知识,介绍了本文需要的定义,定理以及相关公式.第三部分研究的是一维退化抛物系统,分为三节,前两节证明了该系统存在惟一解,其中存在性利用了正则化方法来证明;第三节证明了该系统施加在初值的控制所对应的最优对的一阶必要条件,是利用Ekeland变分原理来证明.第四部分研究的是一维退化双曲系统,也是利用Ekeland变分原理来证明该系统施加在非退化边界上的控制所对应的最优对的一阶必要条件.

关键词： Hamilton系统   变分法   分数阶微分方程   随机脉冲微分方程   mild解   HJB方程   动态规划原理  

摘要： 近年来,由于随机脉冲自身的优势,很多学者对其展开了的研究.但是关于随机脉冲的研究并不完善.本论文主要从三个方面研究随机脉冲系统的相关问题:变分框架下的具有随机脉冲Hamilton系统mild解的存在性问题,随机脉冲系统和分数阶(1<β<2)随机脉冲系统的最优控制问题. 第一章,介绍了随机脉冲微分方程、随机最优控制的背景和研究现状,紧接着引入本文所研究的内容. 第二章,研究了具有随机脉冲影响和边值条件的Hamilton系统.在本章中,首先是要寻找Hamilton的变分结构,值得注意这里的变分结构不同于已有的研究,其变分结构会受到脉冲的影响.其次利用Legendre变换,得到变分结构的共轭作用,证明了其变分结构的共轭作用的临界点是具有随机脉冲的一阶Hamilton系统的mild解.最后通过山路引理得到了临界点的存在性,即Hamilton系统解的存在性,并给出一个实例作为参考. 第三章,研究了随机脉冲系统最优控制问题.首先,对于随机脉冲系统,本章考虑到由于随机脉冲的存在,其性能指标也必须考虑到脉冲所带来的影响.于是本章重新优化了性能指标,加入一个随机的函数作为新的性能指标.其次,利用Gronwall不等式得到随机脉冲系统解的有界性和唯一性等结果,进而借助Bellman动态规划原理得到HJB方程,这里的HJB方程不同于已有的研究,其是一个随机脉冲偏微分方程.最后,得到了其粘性解的存在唯一性. 第四章,研究了分数阶随机脉冲系统最优控制问题.首先,本章利用分数阶积分重新定义新的性能指标并加入一个随机的函数作为其中的成本函数.由于分数阶不具有半群性质这使得对其的研究要重新定义一些概念.其次,利用Gronwall不等式得到分数阶随机脉冲系统解的有界性和唯一性等结果,进而借助动态规划原理和分数阶微积分的知识得到新的值函数和HJB方程.最后,得到了其粘性解的存在唯一性.