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关键词： 二阶双曲型方程   最优控制问题   有限元方法   POD方法   先验误差估计  

摘要： 最优控制问题在石油开采、温度控制、大气污染控制等众多科学和工程领域中具有广泛应用。但由于其物理背景的复杂性,导致其计算负荷和复杂度非常高,有时长时间的计算也会使其结果失去意义。这使得如何在保证数值解具有足够高精度的情况下简化计算、降低内存需求等成为重要研究方向。特征正交分解(POD)方法就是一种高效计算方法,其可以与多种数值方法相结合,目前成功地应用于复杂系统的降维建模。本文将POD方法与有限元方法相结合,应用于具有实际物理背景的二阶双曲型方程最优控制问题中。对于二阶双曲型方程最优分布控制问题,首先推导出其最优性系统。在此基础上,时间上采用C-N方法离散,空间上采用有限元方法离散,构造出全离散的C-N有限元格式。利用经典最优控制理论,分析有限元方法逼近下的先验误差估计。其次,将POD方法与有限元方法相结合,通过选取C-N有限元格式下部分时间层的数值结果作为瞬像,构造出POD空间和POD基,建立基于POD方法的降维C-N有限元格式。通过引入辅助变量的方式,分析了状态变量、伴随状态变量和控制变量的先验误差估计,为实际应用提供科学的理论依据。最后简述POD方法的算法实现,构造算例分别对控制变量无约束情形和有约束情形进行数值求解。对于二阶双曲型方程最优边界控制问题,与上述思路相同,构造出全离散的C-N有限元格式,并分析其先验误差估计。在此基础上将POD方法与有限元方法相结合,建立基于POD方法的降维C-N有限元格式,并分析其先验误差估计。最后构造算例进行数值求解。通过分析证明了 POD方法对于求解二阶双曲型最优控制问题是可行且有效的,可以在保证计算精度的前提下,提高计算速度,降低内存需求。在实际应用中,也可以根据对误差的可接受程度,来选择瞬像层数或POD基数量,从而达到合理有效利用资源的目的。

关键词： 锅炉风机   改造   变频器   节能  

摘要： 就某大型煤化工基地内几类自备热电站风机能耗情况进行了分析。根据分析结果，针对典型锅炉风机提出了改造方案，并进行了工业化改造试验研究，发现添加液耦的方式可降低能耗约20%，而变频器改造后可降低能耗约35%。同时变频器改造方法可改善运行人员的工作环境，安全性能、经济效益提高明显，为其他企业的节能改造提供了参考方向。

关键词： 反应扩散系统   复杂网络   斑图动力学   最优控制  

摘要： 传染病斑图是传染病动力学的重要组成部分,是研究传染病传播的主要方法之一。斑图结构直接反映了传染病在空间中的感染分布情况,在预测传染病传播趋势与传播速度的问题上发挥着重要作用。现实世界中,人群的分布以及人群之间联系的密切程度会影响传染病的传播情况。人群不是连续分布在空间中的,而是离散的分布在各个区域,于是,网络传染病斑图应运而生。反应扩散系统是研究传染病斑图的重要工具,然而其研究主要是基于连续空间的,因此建立网络上的反应扩散系统获得的传染病斑图更具有现实意义。目前,传染病反应扩散系统在连续空间上的理论研究已经非常成熟。但是,由于网络平均度、网络结构还有网络节点数导致的超高维数为复杂网络反应扩散系统的研究提出了很多挑战,导致网络传染病的研究较少。本文针对复杂网络反应扩散系统所面临的网络平均度、网络结构和斑图控制等问题开展了相关研究,对复杂网络上一类SI传染病模型的网络斑图和斑图控制进行分析和模拟。本文主要研究内容如下:(1)针对因病死亡率、网络平均度和网络结构如何影响网络斑图的问题,提出了一种针对SI网络传染病模型的斑图模拟算法,提供了网络反应扩散系统的斑图动力学理论分析和模拟实验。首先,将一个连续空间的SI传染病模型扩展到网络上,引入自扩散系数和拉普拉斯矩阵建立网络反应扩散系统;其次,运用斑图动力学理论进行图灵稳定性分析,推导出图灵不稳定性条件;最后,网络反应扩散系统结合斑图模拟算法在不同网络上进行实验,讨论产生的图灵斑图,揭示了因病死亡率、网络平均度以及网络结构对网络斑图的影响。(2)针对如何在降低控制成本的同时达到最好控制效果的最优控制问题,提出了一种针对SI网络传染病模型斑图控制的可变步长梯度算法,提供了网络反应扩散系统的最优控制理论分析和最优控制实验。首先,确定控制参数为传播率和因病死亡率,从而给定目标函数;其次,构建拉格朗日泛函,结合最优控制理论进行分析,推导出一阶最优性条件,得到伴随方程和目标梯度函数。最后,网络反应扩散系统结合可变步长梯度算法进行实验,通过对比分析目标斑图和受控斑图,评价可变步长梯度算法的控制效果和性能。(3)基于上述的斑图模拟算法和可变步长梯度算法,设计并实现了复杂网络传染病时空斑图演化与分析系统。本文取得的研究成果不仅丰富了网络反应扩散系统图灵斑图和最优控制的研究内容,而且为传染病防控提供了理论支撑和应用价值。

关键词： 模块化多电平换流器   IGBT模块   状态监测   自适应卡尔曼滤波算法算法  

摘要： 如今基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的高压柔性直流输电系统(modular multilevel converter based HVDC,MMC-HVDC)被广泛应用于输电工程,IGBT模块作为模块化多电平换流器的核心功率器件,其劣化过程引起的运行参数失真和内部结构异常将严重影响MMC的工作性能,因此研究其失效机理和状态监测技术对保证MMC的运行可靠性具有重要意义。本文针对模块化多电平换流器IGBT模块状态监测方法的主要研究内容如下: (1)根据IGBT模块在不同结温下通态压降与器件健康状态的对应关系,提出了基于通态电压的IGBT模块状态监测方法。通过研究IGBT模块内部“电-热-力”多物理场耦合的复杂劣化环境,以及焊接式和压接式两种类型IGBT模块的失效机理,分析了IGBT模块失效过程中特征参数的演变规律,建立了IGBT模块的通态电压模型,利用通态电压监测IGBT模块的运行健康状态。 (2)MMC的工作特性研究与仿真模型搭建。根据MMC及其子模块(Sub-Module,SM)的拓扑结构,分析了子模块的三种工作状态和六种工作方式。根据MMC的运行特性,建立了dq旋转坐标系下的MMC数学模型,并分析了最近电平逼近调制策略的性能优势,最后在Matlab/Simulink仿真平台进行仿真验证。 (3)针对卡尔曼滤波算法滤波精度易受系统噪声影响的问题,提出基于自适应卡尔曼滤波算法的IGBT模块状态监测方法。基于MMC子模块的端电压信息,根据模块内部IGBT和二极管的通态电压计算方法,通过引入加权因子对系统噪声进行实时修正,提升卡尔曼滤波算法对传感器采集过程中噪声干扰的过滤精度和效率,利用自适应卡尔曼滤波算法对子模块内部IGBT、二极管的通态电压和通态电阻等参数进行在线监测。 最后在Matlab/Simulink仿真平台中搭建五电平的MMC-HVDC系统进行仿真验证。结果表明,本文所提方法在恶劣运行状态下的监测速度相较于基于卡尔曼滤波算法的状态参数监测方法可提升15%左右,且误差可以控制在0.1%以内,能够满足预期效果,可为提高柔性直流输电系统的可靠性提供参考。

关键词： NPC逆变器   三电平   VSVPWM   模糊免疫算法   矢量控制  

摘要： 永磁同步电动机凭借较高的可靠性、高功率因数而被广泛地应用于各大工业领域,尤其近些年新兴的新能源电动车行业更是扩大了对PMSM的使用和研发需求。本文以PMSM逆变驱动和矢量控制系统为研究对象,重点对中性点箝位式三电平逆变器的脉宽调制策略和PMSM矢量控制系统中PID控制器优化。针对传统虚拟空间矢量脉宽调制策略的NPC式三电平逆变器存在直流侧电容中点电位波动以及输出中含有较高的共模电压含量的问题,提出了变虚拟空间矢量脉宽调制策略并引入闭环控制策略,可以兼顾中点电位波动抑制和降低共模电压。该策略在分析传统VSVPWM原理基础上通过优化基本电压矢量构成及基本矢量的作用顺序达到降低共模电压的目标,并利用遗传蚁群算法实现虚拟中矢量的动态调节;同时采用闭环控制策略,监测中点电位和中点电流流向,将中点电位波动控制在目标范围内。利用VVSVPWM策略实现PMSM的逆变驱动后,对PMSM的矢量控制系统的PID控制器进行优化。通过利用模糊免疫智能算法实现PID控制器参数的自适应求取。改进的模糊免疫算法利用免疫算法对模糊控制的隶属函数和控制规则进行分阶段优化,可从算法层面降低智能算法收敛计算的复杂度。同时为了避免矢量控制系统的中三个PID控制器全被模糊免疫算法优化时耗时量的过度增加,提出了加权因子实现模糊控制和模糊免疫PID控制模式的切换策略。为了避免调速时出现转速超调,在转速环控制器前增加自抗扰处理,使得PMSM获得良好的动态响应、转速稳态精度以及较平稳的转速调控。通过Matlab平台对VVSVPWM策略的三电平NPC逆变器的性能进行仿真测试,分别测试了逆变器输出的共模电压,直流侧中点电位波动情况。同时仿真验证了模糊免疫PID转速控制器对二阶时滞系统的控制能力,并进一步验证了NPC逆变器、智能PID控制器在PMSM的矢量系统中对转速控制的影响,仿真结果表明PMSM转速可以获得较好的动态响应速度,精确的转速稳态精度,并且避免调速过程中出现超调。该方法可用于多工业领域的电动机调速系统。

关键词： 分数阶最优控制问题   不等式约束   ABC导数   移位Legendre多项式   配置法  

摘要： 在过去的几十年里,由于最优控制问题在航空航天工程、汽车系统、机器人等领域的广泛应用而一直受到学者们的关注.与传统的整数阶模型相比,分数阶模型在描述具有记忆效应的物理过程方面具有明显的优势.本文将分别考虑在等式约束和不等式约束下同时包含整数阶和ABC导数的最优控制问题,主要研究以下内容: 1.研究具有等式约束的分数阶最优控制问题.首先,我们利用Banach不动点定理证明了Cauchy问题解的存在唯一性;然后,应用变分法和Lagrange乘子法得到了最优解的必要条件和充分条件,进而利用移位Legendre多项式和配置法提出了求解该问题的数值方法,并给出了误差估计;最后,通过数值算例进一步说明所提出方法的有效性. 2.研究具有不等式约束的分数阶最优控制问题.首先,根据KKT定理得到了最优解的必要条件;然后利用扰动的FB函数把必要性最优条件中的不等式约束转化为等式约束,并应用移位Legendre多项式和配置法,提供了一种数值方法;最后,给出了两个数值案例来进一步验证所提供的数值方法的准确性和有效性. 本文的主要创新如下:(1)研究对象的创新:本文以含有整数阶和ABC导数的分数阶微分控制系统为研究对象,所考虑的系统具有好的代表性.(2)研究方法的创新:本文利用移位Legendre多项式和配置法给出了一种求解分数阶最优控制问题数值解的新方法.

关键词： Heat flux  

摘要： Two-phase microchannel heat sink has received extensive attention due to its small size, high heat transfer efficiency, good temperature uniformity, and low working fluid charge. Heat flux and mass flow are important parameters that affect the heat transfer performance of two-phase microchannel heat sink. For different heat fluxes, if the mass flow rate is not reasonable, dry-out may occur, which will significantly reduce the heat transfer performance. In order to further explore the influence of mass flow and heat flux on heat transfer characteristics, the flow boiling heat transfer characteristics under different mass flow rates and heat fluxes were studied for a two-phase microchannel heat sink using R245fa as working fluid. The research results showed that when the mass flow rate was 100 kg/(m2·s), the boiling heat transfer coefficient of the working fluid R245fa showed a trend of increasing firstly, and then decreasing with the increasing of heat flux. At a higher heat flux, the local dry-out in the microchannel began to appear, and the higher the heat flux, the more serious the dry-out, and the heat transfer performance decreased significantly. There was no obvious dry-out phenomenon when the mass flow rate was 150-300 kg/(m2·s) and the heat flux was below 500 kW/m2. The above research provided a valuable reference for exploring the influence of the mass flow rate and the heat flux on the flow boiling heat transfer characteristics of microchannel heat sink. © 2022, The Authors. All rights reserved.

关键词： 锂离子电池   双有源半桥均衡器   组间均衡   组内均衡   移相控制  

摘要： 基于升降压变换器的锂电池均衡器只能实现能量的逐级传递，能量传输路径长，均衡效率低。文中研究了一种双有源半桥锂电池均衡器，分析了影响半桥型均衡器组内电池单体以及组间电池单体能量流动的关键因素，并由此提出移相控制策略。采用移相控制的双有源半桥锂电池均衡器，可以在高频工作状态下实现半桥组间电池单体之间能量的快速转移，因均衡器工作在高频状态，极大的减小了均衡器的体积和重量。重点推导了均衡器组内电池单体和组间电池单体间等效均衡电流的表达式，并搭建了仿真模型和实验样机对其进行了验证。仿真和实验结果表明，基于移相控制的双有源半桥型锂电池均衡器能够快速实现电池单体间的电压均衡。

关键词： 分布式数据中心   微分方程   协同优化   可再生能源   最优控制  

摘要： 随着数据中心规模的不断扩大,其能耗巨大的问题也日益突出。分布式数据中心既可以通过计算任务在多个数据中心间的分配实现功率的转移,也可以通过单个数据中心的功率控制实现功耗和计算时延的均衡。这2种优化手段相互耦合,且面临着来自于信息层和能量层的多元不确定性的影响,需要快速可靠的控制手段实现数据中心信息层和能量层的协同优化。该文首先构建了分布式数据中心协同优化调节架构,并分析了多数据中心计算任务分配与单数据中心功率优化的动态特性。其次,构建了基于动态微分方程的信息层和能量层耦合优化问题的统一调节模型。最后,综合考虑系统运营成本及计算时延构建目标函数,引入最优控制理论对该问题求解,实现数据中心信息能量的秒级协同优化控制。仿真结果表明,相比分钟级的控制,基于该策略的快速控制能够较好的追踪可再生能源出力以及计算任务的波动,从而有效提升系统的经济效益及可再生能源就地消纳率。