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关键词： 工业物联网   恶意程序   稳定性   最优控制   博弈论  

摘要： 工业物联网是一种将物联网技术与工业生产相结合的创新模式,通过将传感器、通信技术、云计算、大数据等技术集成在一起,实现工业设备、生产过程、产品及供应链等多个环节的智能化、自动化、互联互通和数据共享。然而,工业物联网中众多传感器、机械臂等简单设备以及不安全的通信信道诱使恶意程序在工业物联网的传播行为日渐猖獗,给众多企业带去灭顶之灾。目前工业物联网中恶意程序的相关研究一部分集中在恶意程序的入侵检测方面,另一部分集中在恶意程序的传播规律发现和传播控制策略探索方面。后者对了解工业物联网恶意程序的传播特点和行为模式,并高效遏制其在网络中传播具有非凡意义。本文主要研究工业物联网中恶意程序的传播规律建模和传播控制策略实现,以解决有效遏制工业物联网恶意程序传播的关键问题。本文研究主要分为两部分:一是考虑工业物联网中恶意程序传播特点发现工业物联网恶意程序的传播规律;二是利用补丁注入方法研究高效遏制恶意程序在工业物联网中传播的控制策略。一方面,提出了工业物联网中刻画恶意程序传播规律的传播模型。考虑工业物联网中恶意程序的点状扩散、有限传播能量、局限通信半径、工业设备迭代的特点,提出新型工业物联网恶意程序传播模型,建立了恶意程序传播的动力学微分方程。提出个体与群体博弈从微观上刻画出恶意程序与节点之间的相互作用,构建出恶意程序传播收益矩阵,并自动计算出传染率和恢复率。为了评估模型的稳定性,首先在理论上计算出模型的基本再生数并分析了模型的无病平衡点和地方性平衡点的渐进稳定性,其次从实践角度进行的16组实验对模型的稳定性以及恶意程序扩散抑或消亡的阈值展开了有效验证和深刻剖析。另一方面,提出了针对工业物联网恶意程序传播的补丁注入最优控制策略方案。甄选集中-分散混合式补丁注入策略作为网络节点的主动防御策略以应对恶意程序对自身的攻击,考虑补丁注入方式作用在恶意程序上的影响扩展了传播模型并提出了新的恶意程序-补丁复合传播模型。通过微分博弈描述恶意程序和补丁在网络中传播时产生的最优控制问题,特别引入了三个活跃度参数作为恶意程序和补丁注入的重要控制参数以利用庞特里亚金极小值原理求解出最优控制策略。最后改进深度双Q网络算法实现工业物联网中的恶意程序传播控制算法DDPV。通过与经典的深度强化学习算法深度Q网络对比实验发现,算法DDPV在未打补丁且被感染的节点的比例峰值上比之降低89.2%,在传播的时间成本上节约55%,在最大收益上提高至少6.4%。

关键词： 同步磁阻电机   直接转矩控制   无位置传感器   滑模观测器   瞬时功率理论  

摘要： 电机作为能量转换设备被广泛的应用于船舶军舰、航空航天、电动汽车、工业生产等领域。目前我国能源紧缺问题日益严峻,电机作为工业生产领域的关键设备,其消耗的能源可占工业总能耗的50%以上,因此探讨如何降低电机的制造成本、提高电机效率,对于降低工业能耗、缓解能源危机、助力“双碳目标”有着重要意义。在此背景下,同步磁阻电机因其效率较高、转子结构简单、成本较低的优点,被视为在工业领域中替换异步电机和永磁同步电机的理想电机。同步磁阻电机的驱动方案主要有矢量控制(FOC)和直接转矩控制(DTC)两种,DTC方法关注转矩环和磁链环的反馈,控制结构简单,且鲁棒性好,与同步磁阻电机高转矩响应的特点相契合。而目前的同步磁阻电机直接转矩控制方案中,转子位置信息的获取多依赖于光电编码器等位置传感器。但在实际应用中,位置传感器的加装一方面会使电机体积变大,接线更复杂,甚至带来同心度偏移的问题,另一方面,在高温潮湿等环境下,传感器的检测精度明显下降,进而影响系统的可靠性。对此,本文以降低系统成本和提高系统可靠性为目标,针对同步磁阻电机直接转矩控制方法展开研究。首先,对同步磁阻电机运行原理进行阐述,并构建其在不同坐标系下的数学模型。在对基于定子磁链模型的无传感器直接转矩控制方案(SFM-DTC)存在的问题进行分析后,提出一种改进滑模观测器设计来实现无位置传感器控制,其中包括一种分段饱和函数的趋近律设计和一种自适应滑模增益设计;提出一种基于瞬时功率理论的磁链补偿策略,其中包括一种基于瞬时有功功率的磁链角度补偿策略和一种基于瞬时无功功率的磁链幅值补偿策略;提出一种基于小信号模型的同步磁阻电机直接转矩控制的稳定性分析方法。而后将上述理论分析进行系统集成,得到了基于改进SMO和磁链补偿策略的同步磁阻电机无传感器直接转矩控制(SMO-FC-DTC)系统。其次,为了验证所提出的无传感器直接转矩控制方案的正确性和有效性,本文在Simulink环境中构建了对应的模型,并在启动性能、抗负载扰动性能等方面,分别对传统有传感器的直接转矩控制、基于定子磁链模型的无传感器直接转矩控制(SFM-DTC)、基于改进SMO和磁链补偿策略的无传感器直接转矩控制(SMO-FC-DTC)进行了详细的仿真测试与分析。由仿真结果知,所提出的SMO-FC-DTC在各个工况下运行良好;在中高速工况下,SMO-FC-DTC相比传统有传感器的直接转矩控制系统在上升时间和稳态转速波动方面相接近,相比于SFM-DTC有效降低了稳态时的转速波动和稳态误差;在低速满载工况下,SFM-DTC无法达到给定转速且转矩脉动明显,而SMO-FC-DTC在该工况下运行良好,有效提高了系统带载能力;在抗负载扰动实验中,SMO-FC-DTC突加突卸负载后转速波动更小,与传统有传感器的直接转矩控制相接近。因此,本文所提出的基于改进SMO和磁链补偿策略的无传感器直接转矩控制系统动态性能和静态性能均较好。最后,设计了同步磁阻电机无传感器直接转矩控制系统的软硬件方案,搭建了对应的实验平台,并基于Code Composer Studio软件完成代码的编写工作。基于该实验平台,分别对传统有传感器的同步磁阻电机DTC系统、基于定子磁链模型的同步磁阻电机无传感器DTC系统、基于改进SMO和磁链补偿策略的同步磁阻电机无传感器DTC系统进行启动性能测试和抗负载扰动性能测试。对实验结果分析可知:本文提出的同步磁阻电机无传感器DTC算法在各个工况下均运行良好,同时在启动时间、稳态波动和受负载冲击后的速度波动、恢复时间等方面与有传感器DTC方法相接近,明显优于基于定子磁链模型的同步磁阻电机无传感器DTC方法,可以保证在去除位置传感器、降低系统成本的同时,保证系统总体性能良好。

关键词： 变频器   旋切机控制系统   共母线   尾刀整张算法  

摘要： 旋切机是把一定尺寸的原木旋切成等宽的薄木片的机械,旋切出的薄木片是制作胶合板等人造板的原材料。无卡旋切机的工作原理是由三台不同变频器控制各自电机来完成原木旋切成宽度相同的薄木片。 目前,实际生产中旋切机用电却耗能巨大。同时,全国的木材资源极其紧缺,而优质胶合板的需求却越来越大,这就需要旋切出更多的优质单板。为了提高原木的利用率,本论文进行了以下研究。 第一为了节约能源,设计了采用共母线方案的新型旋切机专用变频器系统。将传统无卡旋切机中原本互相没有联系的用来夹住原木的驱动辊和从动辊的第一台变频器,控制刀架进给速度台面的进退的第二台变频器和将旋切下的薄木片用铡刀切成宽度相同的整张单板的第三台变频器采用共母线的方式,让三台变频器共用同一个三相整流桥,接触器,上电电阻,EMC电路和制动单元。 第二为了提高木材的利用率,设计了尾刀整张单板旋切方式。实际生产中原木外层的木质较差,内层的木质更好,从而设计了尾刀整张算法。尾刀整张单板的实现主要依靠头刀把多余量切掉,但在实际生产中由于丝杠磨损、铡刀切割延迟等原因,铡刀剪切木皮时,每次整张单板的宽度都会有细小误差,导致尾刀不是整张单板。因此设计了专门的模糊PID控制系统,通过实时调整旋切木皮的厚度来使得被切割木皮的宽度得到实时调整,保证最后能到完整的尾刀整张单板。 通过软件仿真和工厂实物实验达到了预期效果。重新设计的共母线旋切机能够正常运行,生产过程中旋切机实现了整张单板的生产,达到旋切机节能运行和提高木材利用率的目标。

关键词： 直升机/发动机   T-S模糊   鲁棒控制   ALQR控制   旋翼转速优化   导叶角优化   最优控制  

摘要： 直升机操纵灵活,具有垂直起降、定点悬停等常规固定翼飞机不具备的特点,在军事和民用领域被广泛应用。传统直升机通常以固定的旋翼转速飞行,但随着直升机任务对于其性能的要求不断提高,在直升机飞行过程中优化旋翼转速和发动机导叶角是提高直升机/发动机综合性能的有效措施。本文以黑鹰直升机和T700涡轴发动机为例,开展直升机发动机传动系统一体化性能优化控制技术研究。 首先,根据直升机和发动机结构特点,采用分部件建模的方法建立直升机和发动机的全量非线性模型,建立传动系统模型将两者联系起来,形成直升机/涡轴发动机/传动系统综合模型,通过配平分析验证了综合模型的准确性。 其次,利用小扰动线性化方法得到不同速度、高度和旋翼转速下的线性化模型,并以此为局部线性模型结合T-S模糊理论建立直升机T-S模糊模型,基于该模糊模型采用H∞控制的方法设计姿态控制器实现姿态指令的精确跟踪,采用模糊PID控制方法设计外回路速度和高度控制器,实现速度与高度的精确跟踪。针对本文涉及的发动机转速变化问题,将发动机输出转速和扭矩作为调度变量,采用多变量增益调度的方法将为单一工作点设计的ALQR控制器扩展到整个涡轴发动机工作范围,实现涡轴发动机转速的精确跟踪。 然后,针对直/发综合系统稳态性能优化问题,分析旋翼转速和发动机导叶角的优化原理。然后综合考虑直升机飞行状态和发动机工作状态,设计以发动机燃油消耗结合直升机操纵裕度的目标函数,利用离线在线结合的优化算法寻找最优的稳态飞行时的旋翼转速和发动机导叶角,在保证直升机飞行状态不变的条件下有效降低稳态飞行过程中的燃油消耗,提高直升机航程。 最后,针对直/发综合系统动态性能优化问题,提出在机动飞行时,将直升机旋翼转速作为直升机机动飞行最优控制器的增维控制量,提高直升机的机动飞行能力;提出基于直升机扭矩预测补偿对发动机控制器的优化方案,提高发动机的动态功率响应能力;同时采用LMS自适应扭振滤波器解决变旋翼转速所导致直升机传动系统的扭振频率变化,传统陷阵滤波器效果不佳的问题。

关键词： IGBT   焊料层空洞   传递函数   状态监测   结温估计  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)具有低导通电压、低功率损耗,以及高功率密度、高开关频率等优点,作为电力电子系统的重要组成部分被广泛应用于新能源汽车、航空航天、轨道交通等领域。因受到模块封装技术、散热条件以及工作环境等因素的影响,IGBT芯片产生的热量会导致模块结温过高,长期以往可靠性受热的影响越来越大,最终导致模块老化甚至失效。相关研究表明,结温过高所导致的故障率占据功率器件失效的一半以上,而封装级失效则是其一种主要故障方式,其中作为IGBT模块重要组成部分的焊料层被认为最易发生老化的部位之一,因此对焊料层损伤及结温监测方法的研究具有重要意义。基于此,本文对IGBT模块焊料层老化监测以及结温的获取方法进行研究,具体研究内容如下:首先,介绍了IGBT模块的基本结构及工作原理,对IGBT模块的工作特性以及传热机理进行分析;描述了IGBT模块老化损伤的常见类型和传统的热网络模型,并且根据IGBT模块的物理结构提取了Cauer模型中的热阻和热容参数。其次,提出了一种基于结温传递函数的IGBT模块焊料层空洞损伤监测方法。介绍了IGBT模块各层结构热阻热容与Cauer模型之间的关系,探究了芯片焊料层不同空洞率下热阻的变化规律,建立了热阻变化量与空洞率的关系式;分析了利用结温传递函数求取Cauer模型参数的过程,得到了结温传递函数与热网络模型参数的关系。通过实验验证了考虑焊料层空洞损伤监测方法的可行性和正确性。最后,通过比较结温、底板温度、散热片温度传递函数与Cauer模型热参数之间的关系,提出了一种基于底板温度传递函数的Cauer模型参数识别方法。实验测得底板温度传递函数后可以反推出结温传递函数,进而求得结温表达式,实现IGBT模块结温估计。此外,基于此方法可以实现对IGBT模块、热界面材料(Thermal Interface Material,TIM)和散热片散热效果的状态监测。

关键词： Insulated gate bipolar transistors   Wires   Degradation   Resistance   Junctions   Voltage measurement   Aging   Insulated gate bipolar transistor (IGBT)   three-level neutral-point clamped (3L-NPC) converter   series short-circuit   bond wire degradation   in-situ condition monitoring  

摘要： Performing in-situ diagnosis is a crucial task during routine inspections of high-power converter systems, such as mine hoist. This paper presents an on-board offline condition assessment method for bond wire degradation of high-power IGBT modules within three-level neutral-point clamped (3L-NPC) converter. This method is based on the increment of the on-state voltage V-on during series short-circuit (SSC). The SSC is formed by the conduction of the IGBT modules to be tested and the external constant current switch (CCS). In CCS circuits, a PI-controlled gate drive circuit is employed to achieve high constant short-circuit current and maintain the stability of the V-on. The improved V-on detection circuit takes the decrement of charging time t(cp) of the capacitor as the parameter for aging assessment. It simplifies the data processing of V-on, while increasing the aging sensitivity. To validate the effectiveness of this method in practical applications, a single-phase 3L-NPC experimental platform was built to simulate the aging state of IGBTs by cutting off the bonding wires. The feasibility of the detection circuit, the influence of short-circuit current and ambient temperature on tcp, and the reliability of the CCS circuit are analyzed in detail.

关键词： 年龄等级结构   空间扩散   偏微分积分方程   适定性   不动点原理   最优控制   法锥   数值模拟  

摘要： 由于动物种群的个体往往存在等级地位差异,在种群内部面临不同的竞争环境,并且种群个体经常处在运动状态,因此本文提出了涵盖等级结构和空间分布的种群模型.它是由二阶非线性偏微分方程和积分型边界条件组成的无穷维系统.运用泛函分析、变分原理、微分积分不等式和MATLAB工具研究该模型非负解的存在性与唯一性,解的比较原理,解关于分布式控制的连续性,种群系统的两类最优控制问题(最优收获与最优初始分布).既给出理论分析和数值解法,又利用MATLAB进行了一些数值实验.本文分为三章.第一章叙述了建模背景和相关领域的研究概况.第二章和第三章是本文的核心内容.第二章主要对扩散等级结构种群模型的动力学进行了研究.第一节给出了研究的种群模型和参数的假设条件.第二节使用不动点方法证明了模型非负解的存在唯一性,并推导出比较原理和可分离解.第三节给出了一个可以用近似解逼近模型解的离散算法,确定了该算法的收敛性并利用MATLAB对种群模型进行了数值仿真.第四节初步探讨了种群的渐近行为.第三章研究了基于等级差异和空间分布的种群模型的两类最优控制问题.第一节简述当前概况.第二节考虑人对种群个体的收获因素,引出最大收益问题.利用Aubin引理和极值化序列得到了最优策略的存在性;运用切锥法锥和共轭系统推出了最优控制的特征描述;并对平衡态系统进行了数值实验.第三节研究了初始分布控制问题:选择控制策略能使终态时刻的总经济价值与控制成本之差最大化;导出了最大值原理,并运用Fatou引理、Riese引理和Ekeland变分原理证明了最优解的存在唯一性;最后用MATLAB分析了各种参数对最优策略的影响.

关键词： 直流变换器   三电平   移相控制   并联均流技术   三环控制   CAN  

摘要： 低频电磁通信技术是一种对潜通信的重要技术手段,对潜通信距离、通信深度以及通信准确度是低频电磁通信中重要的发展方向,系统中作为能量供给的兆瓦级高精度大功率电源是保证这一指标的关键。本文研制的大功率电源采用多个功率模块并联实现大功率输出,各个模块均衡电流输出以平衡热应力,且当某个模块故障后可迅速自动隔离,保障整个系统的正常运行。本文使用的功率模块采用前级三相整流器和后级直流变换器构成,其中本文重点研究的直流变换器在系统中并联后直接与负载连接,是电源系统实现多模块并联均流的关键部分,变换器的零电压开关技术也是提升电源效率的关键。本文基于变换器的半桥三电平变换器拓扑结构,设计出一种稳态和动态性能较好的基于数字均流的模块并联系统。本文首先阐述了半桥三电平变换器的主电路原理,通过对开关控制策略的分析选择了移相控制的方法实现变换器的零电压开关,并对变换器工作周期内的开关模态原理进行分析后,结合实际问题讨论实现零电压开关的可行性。通过状态空间平均法对半桥三电平变换器进行小信号建模,设计变换器的主电路参数后,基于在电压电流双闭环控制策略搭建MATLAB仿真,验证了零电压开关情况及变换器双闭环控制的动态响应速度。并联电源系统中,为了使各个功率模块的输出电流得到平衡的分配,平衡各个模块的热应力提升运行可靠性,需要采用合适的均流措施,通过对模拟均流方法的分析,结合数字均流方法的特点,基于平均电流方法的数字均流方式思想,采用了在双闭环控制基础上增加均流环的三环控制方法,结合变换器的小信号模型,给出了并联系统三环控制的模型,并通过在MATLAB搭建并联系统验证双闭环和三环控制策略的性能,验证三环控制系统可以有效的实现模块间的均流,提高系统的响应速度。本文采用国产化JDSPF28335数字控制器芯片作为主控芯片,利用芯片内置的e CAN模块实现系统内模块间CAN通讯以完成系统的均流控制,并设计了相关软件程序及关键硬件电路,根据设计搭建实验平台进行均流效果验证,给出试验样机的实验波形和性能测试结果,达到了较好的均流效果。

关键词： 流体与固体交互作用   强解   解的适定性问题   最优控制  

摘要： 本文首先建立了三维空间中刚体浮块在黏性流体中垂直运动的模型,进一步研究了该模型解的适定性问题,最后研究了该模型当控制施加在刚体上的一类最优控制问题.在第2章,通过哈密顿最小作用量原理得出固体与流体耦合的系统,并在该模型中,利用流体的熵变分将黏性引入系统中.第3章与第4章从守恒定律出发,校验所得到的耦合系统是否符合流体的运动规律.第5章至第7章主要考虑耦合系统解的适定性问题,其中包括耦合系统解的局部存在唯一性以及在小初值意义下系统解的全局存在唯一性.本文的第8章介绍了控制加在刚体上的一类最优控制问题,得到最优控制的存在唯一性.本文最后介绍了这篇文章尚未解决的问题.

关键词： 登革热   肺结核   稳定性分析   季节性   最优控制  

摘要： 一直以来,传染病都是威胁人类健康的一个重要问题。随着新感染的出现和耐药病原体的演变,使得根除大多数疾病面临着巨大的挑战。应用动力学模型研究传染病的发病机制、传播规律和发展趋势,不仅可以为传染病的研究提供理论依据,而且对预防和控制疾病的传播具有现实的指导意义。 本文选择了对人类威胁较大的媒介传染病-登革热和呼吸道传染病-肺结核作为研究对象,应用动力学模型探究了登革热和肺结核的传播动态及干预策略的控制效果。为此本文建立了三类动力学模型:具有疫苗接种的登革热动力学模型、具有周期传播率的肺结核动力学模型以及具有多斑块的肺结核动力学模型。 本文的主要工作包括以下几个方面: (1)具有疫苗接种的登革热传播动力学性质和控制策略的研究:抗体依赖性增强对开发能够平衡四种血清型保护性反应的登革热疫苗带来巨大的挑战,为了探究抗体依赖性增强对登革热传播的影响以及接种疫苗的最佳时间,本文构建了一个考虑不同人群接种疫苗的登革热动力学模型,应用下一代矩阵的方法计算了模型的基本再生数,推导了疫情最终感染规模的上界和下界,应用敏感性分析量化了参数对基本再生数的影响,并且在考虑疫苗接种具有衰减和失败的情况下,评估了疫苗接种措施在抑制登革热传播中的有效性。研究结果表明,两类人群接种疫苗的时间越早,疫苗预防效果越好;并且最佳的疫苗接种人群为先前感染过某种菌株的个体。进一步地,本文分析了使用蚊帐、提高自我保护意识、治疗和喷洒杀虫剂干预策略的控制效果。分析结果表明,控制登革热传播最有效的策略是喷洒杀虫剂。 (2)具有周期传播率的肺结核传播动力学性质和控制策略的研究:基于肺结核的传播机理,本文构建了肺结核的非自治动力系统,计算了系统的基本再生数,证明了系统无病周期解的全局渐近稳定性和周期解的存在性;并且以江苏省肺结核为例,估计得到江苏省肺结核传播的基本再生数大于1,这意味着,在现有防控措施的作用下,江苏省的肺结核会持续传播。在此背景下,为了实现世界卫生组织提出的2035年肺结核的控制目标,本文在模型中纳入了提高自我保护意识、增强潜伏个体检测和治疗以及加强感染个体治疗的控制策略因素,并从单位成本、总成本和增量成本效益三个方面对这些控制策略进行了比较。研究结果表明,这些控制策略都可以控制肺结核的传播,但是最有效的控制策略是加强对潜伏个体检测和治疗。虽然加强感染个体治疗的单位成本最低,但从总成本和增量成本效益来看,增强潜伏个体检测和治疗的策略最具成本效益。 (3)具有多斑块的肺结核传播动力学性质和控制策略的研究:农村与城市之间、城市与城市之间的大规模人口流动导致经常被访问的城市会有更多的媒介传播和感染的传入,这增加了肺结核的传播风险。此外,耐药性又增加了肺结核治疗的难度,这导致肺结核更难被根除。为此,本文同时考虑了季节性、耐药性和人口迁移的影响,建立了一个新的肺结核动力学模型,证明了无病周期解的全局渐近稳定性和疾病的一致持久性,利用动力学模型分析了江苏省13个城市肺结核的传播动态,并研究了人口迁移、疫苗接种及提高诊断率干预措施对肺结核传播的抑制效果。数值模拟表明,仅限制人口流动不会减小江苏省肺结核的传播阈值,并且,潜伏个体接种疫苗是控制肺结核药物敏感菌株和耐药菌株传播的最佳策略。