教学课程资源库 更多>>

关键词： 变频器   散热系统   正交试验   Flotherm  

摘要： 变频器属于电力控制设备，发挥着变频节能的作用，对于大功率变频器，其工作时损耗功率很大，需要设计合理的散热系统带走产生的热量，防止内部器件损坏,保证变频器工作可靠性，延长使用寿命。目前，变频器的体积都趋于小型化，这对大功率变频器的散热提出了更高的要求。本文针对武汉市正弦电气技术有限公司EM760-280kW变频器的研发，使用Flotherm软件仿真试验的方法，研究了一种大功率变频器的散热系统，主要研究结论如下:　　（1）对变频器主风道进行了仿真建模。推导出IGBT和可控硅整流桥的损耗计算公式，计算出单个IGBT芯片热损耗为260.69W,单个续流二极管芯片热损耗为99.02W,单个可控硅整流器芯片损耗为75.72W。根据算得的损耗数据，变频器主风道结构、各部件材料与发热情况，功率模块厂家提供的模块内部热阻数据，在Flotherm中建立了主风道模型，验证了模型的有效性和风道的合理性。　　（2）使用仿真正交试验优化了散热器结构参数。应用Flotherm软件，使用仿真正交试验方法优化了散热器的结构参数，以IGBT温升为指标，通过F检验的方法，得到了散热器各参数和参数间交互作用对散热器散热性能影响显著性结果为:散热器的齿片厚度，齿片数量，齿片厚度与齿片数量的交互作用，对指标都有非常显著的影响，显著性依次下降，散热器基板厚度，齿片厚度与基板厚度的交互作用,对指标有显著的影响，而散热器长度对指标没有显著影响，散热器优化后的结构参数为，齿片厚度2.5mm,基板厚度22mm,齿片数量113,散热器长度308mm。　　（3）完成了散热系统风机匹配。计算了优化后散热器的扩散热阻，得到对流换热热阻和散热所需风量为0.306m3/s。综合气流吹过散热器所受到的进风局部阻力、沿程阻力、出风局部阻力，计算出气流流经散热器的总风阻，绘制出散热器气压-流量曲线图，找到此曲线与风机P-Q曲线的交点出风速，匹配了对应的风机，即选择使用两个生久科技48V,额定功率144W,额定转速7300RPM的风机。经过风机匹配验证试验，风机匹配后，IGBT芯片温升比使用原风机降低了2.3℃。　　（4）对散热系统的性能进行了验证试验。搭建试验平台，测量了散热系统优化前后IGBT芯片的温升，结果显示，优化前芯片温升为61.6℃,优化后的芯片温升为53.9℃,较优化前降低了7.7℃,说明优化后的大功率变频器散热系统性能得到了明显提升。　　综上，本文设计的大功率变频器散热系统，散热器结构参数合理，散热能力强,风机性能与主风道匹配良好，散热系统有良好的散热性能，符合IGBT模块的工作要求。

关键词： 微分博弈系统   最优控制   自适应动态规划   强化学习   事件触发学习   动态事件触发   神经网络  

摘要： 微分博弈系统是博弈论、最优控制理论和智能学习方法深度融合的重要技术领域,其中系统动力学由微分方程表征,每个博弈者自主地优化自身代价函数。由于能够较好描述和建模多主体优化决策问题,微分博弈系统被广泛用于各类最优控制问题,例如导弹追逃问题和电力系统频率控制问题。近年来,利用自适应动态规划技术解决微分博弈系统的优化决策问题并在线求解最优控制策略,已经成为控制学界的前沿领域和极具发展潜力的方向。本文围绕微分博弈系统的优化决策这一科学问题,利用自适应动态规划与强化学习和事件触发方法,解决其在理论、算法、通信、安全、场景方面存在的主要问题和技术挑战,循序渐进地展开系列研究内容,实现从单人到多人的逐步扩展。主要研究内容和特色包括: (1)研究了单人微分决策系统的最优控制问题,提出了基于积分强化学习的自适应动态事件触发学习方法,该方法仅需部分模型信息便可在线获得近似最优解。通过严格的数学证明分析了闭环系统稳定性和神经网络权值收敛性。在数值系统和旋转/平移执行器系统中验证了所提方法的性能和通信效率;结果表明,提出方法可以在维持相当学习效果和控制性能的前提下实现更高效的事件触发。 (2)研究了二人零和微分博弈系统的鲁棒最优控制问题,基于单评价网络结构对单人决策系统的成果进行了扩展设计,提出了扰动情形下的动态事件触发学习方法。通过建立脉冲系统,严格证明了动态变量的非负性和系统的渐近稳定性。提出方法成功应用于电力系统的负载频率控制问题,相比典型调频控制方案和已有事件触发控制方法,所提方法能够以最低数据通信率获得较好的频率响应。 (3)研究了多人非零和微分博弈系统的优化决策问题。首先,从集中式事件触发的角度提出了自适应异步强化学习方法,其中评价网络执行梯度下降自适应更新而行为网络执行梯度投影更新。其次,从分散式事件触发的角度提出了动态触发学习方法,利用经验回放提高了数据利用率。所提方法在非线性基准系统上进行了准确性测试,然后成功解决了单车系统和多车系统的自适应巡航问题。 (4)研究了多人微分博弈系统面向静态或移动禁入区的安全控制问题,通过在代价函数中引入障碍函数项,该问题被转换为最优规避控制问题。利用基于状态跟随核函数的神经网络结构和基于状态外推的虚拟探索,设计了一种自适应安全强化学习方法。对比结果表明,提出方法能够实时生成较优的安全运行轨迹。

关键词： 迟滞   对流   猎物-捕食者扩散模型   非凸最优控制问题  

摘要： 本文提出并分析了一类偏微分系统的非凸最优控制问题.非线性控制系统可以在种群动力学框架中解释,同时考虑生物物种发展中的扩散、滞后和迁移效应.通过为潜在的最小化成本泛函和控制系统建立的松弛型性质,证明了优化问题的近似最优解的存在性. 首先,对非凸最优控制问题的背景进行了阐述,介绍了非凸优化的重要性.将前人所做的研究进行罗列并概括本文的主要研究内容.本文所研究的系统源于一个生物模型,在物种发展中考虑了滞后和对流效应,给出了局部解和全局解的存在性.其次通过控制系统解算子的Lipschitz型连续性,证明了固定控制下解的唯一性.最后证明了松弛最优控制问题最优解的存在性,以及原问题近似最优解的存在性.

关键词： 永磁同步电机   矢量控制   模型预测控制   SIMULINK仿真   STM32F103  

摘要： 永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）因其具有体积小、重量轻、功率密度高、转矩输出能力强、可靠性高等优点,目前已广泛应用于工业生产、农业机械设备、家用电器设备、轨道交通、轻纺工业以及机器人控制等领域。因此,研究开发高性能的永磁同步电机控制系统具有很强的现实意义,其控制算法的研究也成为了热点。本文以STM32F103微处理器为核心,以验证模型预测控制算法的实用性为宗旨,对永磁同步电机调速控制系统进行了设计与实现。文中首先阐述了国内外PMSM调速控制系统的研究背景和发展现状,并对PMSM的控制策略进行概述,通过分析比较几种常见的永磁同步电机矢量控制策略后,确定了id=0的控制方式。接着针对不同坐标系分别建立了PMSM的数学模型,并在仿真软件中建立了PMSM矢量控制系统模型,为进一步研究奠定理论基础。其次,文中针对PMSM矢量控制系统中,比例积分控制器参数无法随工况变化、控制精度依赖电机设定参数以及转速超调量大等问题,在电流环中引入了PMSM模型预测控制策略。随后,简要分析介绍了PMSM调速控制系统在约束状态下单矢量模型预测控制和双矢量模型预测控制方法,为进一步完善空间矢量覆盖不全面问题,提出PMSM优化三矢量模型预测控制方法并在SIMULINK中搭建仿真模型。仿真对比结果表明,所设计的PMSM优化三矢量模型预测控制系统直轴、交轴电流波纹小,控制精度高,具有更好的动静态性能,可以有效提高控制系统的运行效率。最后,在仿真实验的基础上,搭建以STM32F103为主控芯片的PMSM调速控制系统,分别给出了硬件电路和软件设计方法,详细设计了该控制系统的控制芯片主电路、功率驱动电路、电流采样电路、控制电源电路以及通信接口电路,并给出主程序和中断服务程序的流程图。实验结果证明了本课题所设计的PMSM调速控制系统的稳定性和本文所提出的控制算法的优越性。

关键词： 深度Ritz法   分数阶微分方程   最优控制   变分法   变分迭代法  

摘要： 分数阶微积分作为整数阶微积分的推广,具备着整数阶微积分所不具备的潜力。在过去的数十年中,分数阶微分方程被广泛应用于物理学、生物学、医学等科学和工程领域。求解高维偏微分方程一直是计算科学中的难题,传统算法在高维条件下容易出现“维数灾难”,即随着维数的增加,计算复杂度呈指数级增长,因此有限差分法和有限元法这些传统算法常被限制于处理相对低维的方程。本文对包含右Riemann-Liouville分数阶导数、左Caputo分数阶导数和边界条件的高维分数阶微分方程的解进行了近似。通过确定原方程的变分结构将求解原方程转变为求解一个最优控制问题,对这个最优控制问题采用基于深度学习的方法,即深度Ritz法,该方法可以有效地避免维数灾难。为了得到更加精确的近似解,本文还对深度Ritz法的取点方法进行了改进。为了验证深度Ritz法在近似分数阶微分方程中的有效性,本文给出了深度Ritz法在三个方程上的实验数据,结果表明该方法可以分别较好地近似低、中、高维分数阶微分方程。本文还对上述分数阶微分方程的解可以通过残差网络近似进行了理论证明,并且给出了残差网络参数总量的上限。该证明以分数阶微分方程的变分迭代法为媒介,首先证明了原方程的解可以由变分迭代法得到的迭代格式近似,然后证明该迭代格式可以通过残差网络来近似。

关键词： 包虫病   动力学模型   时滞   Hopf分岔   最优控制  

摘要： 包虫病又称棘球蚴病,是由棘球绦虫引起的一类人畜共患寄生虫病.这种传染病流行于120多个国家与地区,严重危害人类的生命健康和经济发展.因此,研究包虫病的传播规律和防控措施具有重要的理论价值与现实意义.本文利用传染病动力学基本理论,研究了包虫病的传播机理和控制策略,具体内容如下:第一部分介绍了包虫病的流行规律、传播途径以及运用传染病动力学对包虫病研究的现状.第二部分构建了一类含信息干预(消息传播、宣传、教育)与流浪犬归置两种控制措施的包虫病动力学模型,研究了信息干预率为常数时,对包虫病传播的影响.通过构造Lyapunov函数的方法证明了无病平衡点和地方病平衡点的全局稳定性.最后利用数值模拟讨论了信息干预和流浪犬归置两种防治措施对包虫病传播的影响,结果表明两种措施必须同时施行才能达到控制疾病的目的.第三部分构建了一类带有双时滞的包虫病动力学模型,研究了信息干预率为函数时,对包虫病传播的影响.讨论了模型的稳定性、一致持续性以及产生Hopf分岔的条件.最后结合数值模拟,验证了信息干预在疾病控制中起到的重要作用以及时滞大小对模型稳定性的影响.第四部分构建了一类包含信息干预、家犬驱虫和流浪犬归置三种控制变量的包虫病控制模型.利用Pontryagin极大值原理给出了最优控制存在的一阶必要条件并求出了最优控制对的具体表达式.最后,利用MATLAB验证了信息干预、家犬驱虫和流浪犬归置作为最优控制的适用性及有效性.

关键词： 异步电机   模型参考自适应   单神经元PID   模糊控制  

摘要： 随着经济社会的快速发展,对电动阀门的抗干扰能力、精度以及信息化提出了更高的要求。本文引入基于模糊-单神经元PID控制的模型参考自适应的无速度传感器矢量控制方法来提高系统动态响应和鲁棒性,改善系统控制精度和稳定性。 论文针对异步电机驱动的电动阀门,建立了数字控制、功率驱动单元、异步电机、齿轮传动系统、压力阀门、外部扰动和参数漂移等完整的数学仿真模型。针对无速度传感器控制系统参数敏感度高和扰动抑制差等问题,研究了模型参考自适应的系统参数辨识方法,采用单神经元PID控制器提高无速度传感器启动性能,针对电流和转速波形中的异常波动,引入了模糊控制算法对转速调节器进行了优化设计,仿真结果表明,模糊-单神经元PID控制系统可以优化超调,削减波动,而且有良好的动态性能。 采用MC56F8255设计了模型参考自适应的矢量控制硬件原理验证系统,在Code Warrior环境中编写了控制软件。试验结果符合预期,验证了控制方法的有效性和可行性。

关键词： 隔水管   钻井液下泄   外系统   反冲控制   最优控制  

摘要： 深水钻井隔水管反冲响应会给钻井平台、管体和海底井口带来危害。因此,反冲分析和主动控制研究成为了海洋工程领域的重要问题之一。近几年来,关于隔水管反冲响应分析和模拟问题,学者们已进行了深入研究。然而,隔水管反冲系统建模及其控制问题的研究结果较少。本文研究了深水钻井隔水管反冲系统的建模及其若干反冲控制方法,具体内容如下:（1）研究了隔水管反冲系统的前馈反馈最优反冲控制方法。首先,基于钻井液下泄黏滞阻力的有限级数计算模型,得到了钻井下泄液黏滞阻力的连续外系统模型。进而研究了前馈反馈最优反冲控制器的设计方法,给出了反冲控制器的存在条件。其次,结合H∞思想研究了最优保成本反冲控制器并给出控制器的存在性条件。仿真结果表明:建立的外系统模型能够刻画下泄液摩擦力的动态特性;在减小反冲位移方面,以上两种方法均优于传统的最优控制方法。（2）研究了隔水管反冲系统的前馈反馈离散最优控制方法。首先,给出了钻井液下泄黏滞阻力的离散形式指数-多项式计算模型,进而得到黏滞阻力离散外系统模型。其次,给出了含平台升沉运动和钻井液下泄影响的前馈反馈最优反冲控制器的存在条件,反冲控制器可以通过求解Riccati方程和Stein方程得到。仿真结果表明:设计的离散前馈最优反冲控制器能够显著抑制隔水管的反冲响应;Von Misses应力及弹簧伸长量分析结果验证了反冲控制器的有效性。（3）研究了基于时滞反馈的隔水管反冲系统控制方法。针对时滞在某些系统中具有正作用这一观点。通过在控制通道中引入时滞信号,给出了隔水管反冲抑制的时滞状态反馈H∞控制方法。利用Lyapunov–Krasovskii泛函方法,得到了时滞H∞反冲控制器的充分条件。仿真结果表明:通过选择合适大小的时滞,所设计的时滞H∞控制器可以进一步减小隔水管反冲响应;根据给定不同的时滞边界,得到了控制成本不同的控制器,因此有更多的控制器可选择。

关键词： IGBT模块   有限元仿真   可靠性   引线键合工艺  

摘要： IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)全称是绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。它兼具驱动能量小输入阻抗高的MOS和高频率BJT的双重优点。随着国内对IGBT模块需求增加,国内厂商已经在积极研究相关IGBT模块技术,填补和国外厂商的技术差距,并在低功率IGBT模块取得一定的成果,但在大功率IGBT模块的封装和芯片设计技术和国外厂商相比仍存在较大的差距。本文以大功率IGBT模块的封装技术为重点,它对模块的可靠性具有重要影响。本文基于大功率IGBT模块封装工艺技术和可靠性做了以下研究:首先从课题的需求出发,研制一款大功率IGBT模块。通过对功率模块进行结构化拆解,分析出模块封装中的关键技术,并且对模块内部的结构深入了解。结合模块结构特点,确定研究对象为键合线。通过对模块拆解得到的数据,并建立三维数字模型。将三维数字模型导入有限元软件中,在有限元软件中模拟温度循环的实验条件,以键合线的受力情况为参考标准,通过改变基板材料的属性和厚度,最终确定最优的基板材料。通过改变焊料的厚度,根据焊料所受应力大小确定最优的焊料厚度。之后对引线键合工艺参数进行优化,以键合功率和键合时间为参数研究目标,以第一键合点和第二键合点的键合强度为考核指标,通过单因素探究实验选取最优的工艺参数,然后对选取的工艺参数进行正交实验,得到两个参数与影响键合强度的关系,得到第一键合点的强度的影响因素中,键合功率的影响大于键合压力,第二键合点的强度影响因素中,键合压力的影响大于键合时间,通过探究结论推断出,键合工艺过程中两个键合点的两个工艺参数应该进行调整以提高键合线寿命,提升模块整体的寿命。对模块的整体封装过程进行研究,最后对大功率IGBT模块的设计路线在生产实践进行验证,经过TGA/DSC实验得到纳米银膏的最佳温度环境,为模块可靠性封装提供保障,提高模块可靠性。

关键词： 4H-SiC   IGBT   电导调制效应   导通压降   关断损耗  

摘要： 碳化硅(SiC)材料相比硅(Si)材料在禁带宽度、临界击穿电场、热导率以及电子饱和漂移速度等方面具有突出优势,因此具有电导调制效应的碳化硅绝缘栅双极型晶体管(SiC Insulated Gate Bipolar Transistor,SiC IGBT)可以实现超高阻断电压同时保持低导通电阻,在超高压功率电子领域具有重要应用潜力。本文结合传统平面型和沟槽型器件结构和工作机理,致力于改善IGBT器件导通压降和关断损耗之间的折中关系,提出了两种15kV 4H-SiC IGBT新结构,并开展了器件工作原理、阻断特性、导通特性和开关特性研究,主要内容如下:1、提出了具有增强电导调制效应的混合沟道4H-SiC IGBT(Hybrid-Channel4H-SiC IGBT,HC-IGBT)新结构。HC-IGBT器件得益于混合沟道结构提高了发射极侧的电子密度,从而增强了N-漂移区的电导调制效应;同时混合沟道为器件关断时提供了更多空穴抽取路径,显著改善了导通压降和关断损耗的折中关系,提升了器件的整体性能。HC-IGBT器件击穿电压达到了19kV,栅氧化层电场保持在3.0MV/cm以下,保证了器件的阻断特性及栅氧可靠性。与传统平面型和沟槽型结构相比,HC-IGBT的导通压降分别降低15%和4%,比导通电阻降低52%和18%,同时关断损耗也降低6%和18%。因此HC-IGBT的BFOM优值相比传统平面型和沟槽型结构分别提高63%和15%,同时IFOM优值降低21%和22%。2、提出了具有改善器件阻断特性、导通特性和关断特性之间矛盾关系的P型电位调制4H-SiC IGBT(P-type potential Modulation 4H-SiC IGBT,PM-IGBT)新结构。PM-IGBT通过P型电位调制区实现了P-shield区在正向导通时处于浮空状态,增强了N-漂移区的电导调制效应;而在阻断和关断时P-shield区处于接地状态,同时由于减小栅极面积,降低了器件Miller电容,从而降低关断损耗,进一步改善了IGBT器件在导通压降和关断损耗之间的折中关系。PM-IGBT击穿电压为20.8kV,与接地P-shield结构(GP-IGBT)相同,栅氧可靠性优于浮空P-shield结构(FP-IGBT)。PM-IGBT导通压降与FP-IGBT一致,相比GP-IGBT降低了17%,相应的比导通电阻降低了50%。PM-IGBT关断损耗相比GP-IGBT和FP-IGBT分别降低27%和77%。因此IFOM优值分别降低39%和77%,同时BFOM优值相比GP-IGBT提高97%。