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关键词： 紧急避障   轮胎力矢量   模糊模型   最优控制   反馈线性化  

摘要： 随着汽车持有量的增加,交通安全逐步引起人们的重视。在智能化快速发展的大背景下,紧急避障系统开始得到应用。现有的方法仅针对单一的纵向、侧向动态控制。单一的纵向控制存在紧急避障时间过小、紧急避障距离过小无法避开障碍物的问题。单一的侧向控制对车速影响较小,所以在高速行驶下存在安全隐患。本文针对紧急避障情况,以制动和转向系统为研究对象,在要求车辆安全最大化的前提下,设计了一种包含车速估计、轮胎力矢量及车辆状态规划、轮胎逆模型建立、车辆状态跟踪和控制的车辆纵侧向协同的避障策略。 为了考虑紧急避障工况下车辆非线性运动的特性,本文首先建立带有后轮转向的车辆动力学模型,为方便后续工作,将轮胎力统一转换在车身坐标系下。建立了Burkhardt轮胎模型,并对轮胎的纵、侧向特性进行分析,确定了轮胎受到滑移率和侧偏角的影响存在极限值,被限制在摩擦圆内并得出轮胎力处于摩擦圆上的表达式。车速信息是紧急避障的先决条件。本文建立了一种车速估计方法,针对紧急避障工况建立了Mamdani模糊模型,判断车辆的制动、转向状态。在确定车辆状态下,本文建立了基于TSK模糊模型的车速估计方法,该模型可得到轮速可靠度,通过加权得到车速估计值,为避障规划和滑移率控制提供依据,通过实车测试结果验证了估计算法的确定性。 在紧急避障车辆的状态规划上,本文首先给出安全最大化的指标和规划结束条件,根据紧急避障问题的特点将其转换为最优控制问题,并依据最优控制理论描述避障问题。之后由于需要求取的是避障时间内一系列的车辆状态,所以将状态量作为未知函数,将问题的求解看作是边界值问题的微分方程求解,最终求得的轮胎力矢量为车辆控制提供了参考。 本文通过控制车轮实现紧急避障的车辆状态跟踪,首先建立了轮胎逆模型,该模型避免了复杂计算,可以通过规划的期望轮胎力准确得到避障下的期望滑移率和期望侧偏角。在车轮的纵向控制上可以将轮胎逆模型的结果作为期望值,通过改变制动力矩,采用基于反馈线性化的方法设计了滑移率控制器,运用了李雅普诺夫理论保证了系统稳定性,通过仿真验证了具有较好的跟踪能力。侧向上结合规划结果和车轮转向特点推导出期望车轮转向角。 通过验证,可以证明本文设计的车辆紧急避障策略可以合理规划出紧急避障下的轮胎力矢量,并控制车轮使车辆最大程度的躲避障碍物。

关键词： 非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机   矢量控制   联合仿真   转矩脉动抑制  

摘要： 双定子永磁同步电动机主要应用于新能源汽车、电机压缩机、电动机车等领域。电动汽车驱动系统需要具备高转矩密度和高功率密度的特点,并且还要尽可能缩小体积以满足整车设计的要求。同时,在电机实际运行中存在转矩脉动,因此,需要在设计电机时考虑解决这些问题,以提高电机的稳定性和效率。本文以辽宁省科技厅项目“电动汽车用非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机设计及容错控制研究”为背景,研究了非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机（Non-aligned double stator spoke permanent magnet synchronous motor,Non-ADSPMSM）,并针对转矩脉动最小化问题,从电机本体及控制策略两方面入手,实现转矩脉动抑制。本文的主要研究内容如下: 首先,对Non-ADSPMSM内外定子结构、转子结构、永磁体充磁方式及工作原理进行了分析。开展了Non-ADSPMSM空载、负载有限元仿真,对比分析200r/min、300r/min、400r/min转速下对齐与非对齐结构的反电动势、齿槽转矩等波形,得出内外定子互差90度电角度能有效抑制齿槽转矩。 其次,本文重点讨论了齿槽转矩、时间谐波。建立了含有5次及7次谐波的Non-ADSPMSM的数学模型,考虑内外定子对齐非对齐结构特点,在矢量控制系统中加入谐波抑制模块,对比分析加入谐波电流环前后对齐与非对齐结构的电流、转矩的波形,实现5次、7次电流谐波及6次转矩脉动分量的抑制。 再次,基于ANSYS Electronics Desktop 2021与MATLAB2018b仿真软件进行谐波抑制及调速的联合仿真,通过谐波注入法消除绝大部分时间电流谐波,降低了转矩脉动。将id=0矢量控制应用到Non-ADSPMSM的调速系统中,模拟了不同工况下的调速性能,验证了所提方案的正确性。 最后,搭建了Non-ADSPMSM实验平台,给出了Non-ADSPMSM控制系统的软件及硬件设计过程,并对其空载反电动势及齿槽转矩进行了测量。为Non-ADSPMSM调速系统的实验实施奠定了基础。

关键词： IGBT模块   电-热-力-湿   饱和压降   老化失效   可靠性评估  

摘要： 为应对能源危机、温室效应等问题,以光伏发电、风力发电以及海洋能发电为代表的新能源发电得以快速发展。然而,相较于陆地环境下新能源发电变流器中的IGBT模块,服役于海洋大气环境中的IGBT模块不仅会在电场、温度场以及应力场的作用下发生疲劳老化,还会在受到湿气入侵后造成模块的性能退化。因此仅考虑电-热-力对IGBT模块老化失效的影响不再适用于高湿度环境下的IGBT模块。本文针对服役于高湿度环境下变流器IGBT模块可靠性降低的问题,开展电-热-力-湿对IGBT模块老化失效的影响研究。本文主要工作如下:(1)提取了在电-热-力-湿作用下能够更为准确地反映IGBT模块综合健康状态的特征参量。根据IGBT模块的电-热与热-机械应力的具体特征,建立IGBT模块的电-热-力多物理场有限元仿真模型,仿真结果表明在电-热-力作用下IGBT模块的薄弱环节为键合线与焊料层。采用湿热比拟的方法建立IGBT模块中湿气扩散的有限元仿真模型,探究湿气在IGBT模块内部的扩散规律,仿真结果表明湿气经过约40个小时的扩散即可让IGBT芯片附近的湿气浓度达到饱和。湿气对IGBT模块的性能退化影响分析表明在湿气的侵蚀下,IGBT芯片金属化铝层、钝化层以及各层材料之间的界面结合处为模块的薄弱环节。综合分析了电-热-力-湿对IGBT模块老化失效的影响,结合加速老化试验结果表明,在电-热-力-湿的作用下,选取IGBT模块的饱和压降作为特征参量能够更为准确地反映IGBT模块的综合健康状态。(2)提出了一种考虑电-热-力-湿作用的IGBT模块加速老化试验方法。根据新能源发电变流器输出功率具有波动性与间歇性的特点以及在高湿度环境下IGBT模块加速老化试验的安全性与可行性,针对高湿度环境下电-热-力-湿对IGBT模块的老化失效影响的试验研究采取功率循环与高温高湿反偏压试验交替进行的方式对模块进行老化。以加速老化试验需求为导向,设计并搭建了加速老化试验平台,老化试验平台具备对IGBT模块饱和压降和漏电流数据进行采集、分析以及保存的功能,并可同时进行功率循环和高温高湿反偏压两种试验,试验平台上位机界面可实时掌握试验平台运行状态。(3)获得了IGBT模块在电-热-力与电-热-力-湿作用下的寿命差异以及IGBT模块在电-热-力-湿作用下的预期失效前功率循环次数。通过加速老化试验获得了进行功率循环、进行高温高湿反偏压试验以及进行功率循环与高温高湿反偏压交替试验的三个试验组的IGBT模块在老化进程中的饱和压降和漏电流数据。对试验结果进行分析表明在电-热-力-湿的作用下IGBT模块更容易发生老化失效,在电-热-力-湿的作用下IGBT模块的伪寿命比在电-热-力作用下的IGBT模块伪寿命少约20.99%。基于性能退化数据建立了电-热-力-湿作用下的IGBT模块寿命分布模型,对IGBT模块进行了可靠性评估,评估结果表明在电-热-力-湿作用下IGBT模块的预期失效前功率循环次数为61192次。

关键词： 椭圆-抛物系统   最优控制问题   POD方法   迭代方法   先验误差估计  

摘要： 偏微分方程约束的最优控制问题,在科学与工程领域发挥着重要作用而引起了广泛的关注。本文考虑椭圆—抛物系统的最优控制问题,可以被用于描述流体流过可变形多孔介质的最优控制系统,具有重要的生物和化学应用。例如,优化流动压力以及研究相关生物学参数的影响,也可以用于描述锂离子电池的数学模型。本文研究了椭圆—抛物系统的最优控制问题的迭代标准正交分解方法。首先,针对椭圆-抛物系统,研究了最优分布控制问题。利用有限元方法来求解我们的问题,采用分段线性连续函数进行空间离散,向后欧拉方法进行时间离散。然后采用先离散—后优化的方式,详细地推导了模型的对偶状态有限元逼近解方程以及相应的最优性条件,从而组成了全离散有限元离散解的最优控制系统。然后,利用经典的最优控制理论,分析了有限元逼近解的先验误差估计。在此基础上,利用标准正交分解(POD)技术,在取一些时间节点的数值解作为瞬像的基础上,建立了状态和对偶状态变量的不同POD基函数。由于控制变量的初始值会影响状态变量和对偶状态变量,所以第一次选取的POD基一般都不是最优的POD基。因此,本文通过迭代的方式来寻找最优的POD基,从而建立POD迭代格式,得到最终的POD逼近解。通过引入状态和对偶状态的中间变量的方式来推导状态变量、对偶状态变量和控制变量的先验误差估计,给出了迭代POD逼近解与精确解之间的误差估计,并分析了迭代POD方法的收敛性。最后给出了数值实验,验证了相应的理论结果。在椭圆—抛物系统的最优分布控制问题基础上,我们进一步研究椭圆—抛物系统的最优内边界控制问题。研究方法与之前类似,也详细地推导了全离散有限元格式的最优控制系统,并分析了相应的先验误差估计。同理,给出了边界控制的迭代POD格式,并分析了相应的误差估计和格式的收敛性。最后给出数值实验进行验证。

关键词： 主动悬架   安全控制   动态面控制   最优控制   强化学习  

摘要： 主动悬架系统中的执行器可以根据不同行驶路面条件来实时调整主动力大小,从而有效缓解由路面不平引起的冲击和车身振动.为了改善车辆性能和乘客舒适性,本文主要研究以下三类主动悬架系统的控制问题.(1)1/4主动悬架系统的安全控制系统的欠驱动性和安全约束函数的高相对阶性是设计安全控制的主要困难.为了克服这些困难,巧妙地选择了合适的变换将系统变成可处理的形式,并且构造了一个相对阶为1的扩展安全约束函数.基于反推和控制障碍函数法,分别给出了稳定控制约束条件和安全控制约束条件.基于此提出了协调稳定与安全的二次规划问题,并利用向量空间法给出了该问题的显式解.仿真结果验证了所提策略的有效性.(2)液压主动悬架系统的自适应控制为了处理系统的欠驱动性,通过一个合适的变换将系统变为下三角系统,从而可以应用反推方法.然而反推控制中的虚拟控制函数会随着系统阶数的增加重复微分导致“复杂性爆炸”,同时系统中含有的未知参数也增加了控制器设计的困难.为了解决这些困难,在路面干扰有界的假设下,采用动态面控制技术,设计了一个自适应镇定控制器使得闭环系统是半全局一致实用渐近稳定,并且状态可通过调节设计参数充分小.仿真结果说明了所提策略的有效性.(3)非线性主动悬架系统的最优控制基于所建立的非线性模型,给出了合理的代价函数并利用最优控制理论设计了初始最优控制策略.系统中的非线性阻尼力增加了求解HJB方程的困难.为了解决这一困难,基于强化学习的Actor-Critic框架提出了一种新颖的策略在线学习HJB方程的近似解,同时为提高系统的鲁棒性,在Actor-Critic更新率中增加了泄漏项.由此得到的最优控制策略可使代价函数达到最优,系统的状态局部一致终极有界,并且终极边界可通过调节参数充分小.

关键词： 年龄等级结构   周期性参数   适定性   不动点   最优控制   变分原理   近似能控性   数值模拟  

摘要： 自然界是一个具有多水平分层等级结构的有序整体,其生态学系统的结构、功能及动态变化在不同的等级上有不同的表现.另一方面,种群内部的个体也存在等级差异,以年龄等级结构最为直观.由于受季节变化等周期性因素的影响,种群的个体生命参数常常经历周期性振荡.本文提出一类具有周期性参数的年龄等级结构种群模型,运用数学理论进行系统分析及系统调控,前者是后者的基础,后者运用前者的结论对种群实施合理的改造.除了学术意义外,本文研究结果也为实际应用提供了科学的理论支持.本文的研究内容由第2章、第3章和第4章组成.第2章主要分析周期环境中的年龄等级结构种群模型解的适定性,并给出数值实验.第1节提出一类个体生命参数受环境等因素影响而进行周期性振荡的年龄等级结构种群模型;结合实际背景和理论分析需求给出基本假设.第2节针对系统解的适定性给出证明,运用不动点方法证明了周期解是存在且唯一的,并且该解非负有界.第3节提出一种迎风差分格式的数值计算方法,对前述系统进行了离散;证明了该数值方法的收敛性;利用MATLAB软件对给出的测试实例进行了数值模拟.第3章主要讨论调控周期内种群系统的最优控制问题.第1节将第2章所述系统作为基础;并对相关参数设定基本假设.第2节考虑对种群的收获控制,提出一个最优收获问题;并针对系统解的适定性给出结论;利用Mazur定理证明了该系统最优控制的存在性;导出了最大值原理;最后结合算例进行数值模拟.第3节讨论系统的初始分布控制问题,借助切锥法锥的特征和共轭系统的技巧精确刻画最优解;对共轭系统进行恰当地构造,同时借助Ekeland变分法原理,讨论了最优控制的存在性、唯一性;最后展示数值模拟结果.第4章主要研究基于边界控制的近似能控性和一类最优控制问题.第1节提出一类控制变量位于边界上的非线性模型;并给出基本假设.第2节建立系统解关于控制变量的连续依赖性.第3节基于线性系统的能控性与集值映射不动点方法获得非线性系统的近似能控性.第4节针对一个具体的最小代价模型,构造适当的共轭系统和法向量对最优策略作出精细刻画,导出最小值原理;运用Ekeland变分原理证明了最优策略的存在唯一性;最后依赖数值模拟结果展示了控制策略的可行性.

关键词： 高频方波脉冲   匝间绝缘   局部放电   绝缘寿命   Weibull分布  

摘要： 作为能量转换的重要组成部分,变频电机在电力系统与交通运输中发挥着重要作用,广泛应用于飞机、电动汽车的供电系统中。碳化硅基电力电子设备产生的方波脉冲具有更高的电压上升率,可能导致绝缘系统产生局部放电,从而缩短电机的使用寿命。同时,由于电缆和电机绕组间的阻抗不匹配导致的机端过电压现象,致使电机匝间电应力增加,这将进一步加剧局部放电活动。因此,考虑电压上升率对电机匝间绝缘系统的影响,研究碳化硅变频器供电电机定子匝间绝缘老化特性有重要意义。 本文搭建了有限元二维仿真平台、高频局部放电测试平台及高频下的电老化平台,计算了变频电机匝间电压分布特性;研究了高频方波脉冲下的变频电机匝间绝缘局部放电特性,阐明了匝间绝缘局部放电及其老化机理。具体研究如下: 首先,基于有限元二维仿真平台,构建了电机匝间绕组的有限元模型与高频等效电路。利用Matlab进行高频下的匝间等效电路计算,发现Ⅰ型绕组匝对地电压分布呈现从首匝到末匝逐级递增趋势,且增量逐渐减小;在电压上升率提升时,匝间电压与匝对地电压都会提升。最后,利用暂态过程分析及传输线过程理论分析仿真实验结果。需要注意的是,Ⅰ型绕组的匝间电压分布特性会受到其在槽内的排列位置影响。 其次,基于局部放电测试平台,对不同电压上升率和频率条件下的局部放电特性进行了测试,同时结合缺陷处放电过程、电荷输运及积聚特性研究了高频方波脉冲下的匝间绝缘局部放电机理。实验及研究结果表明:电压上升率提升导致平均放电量的提升,导致空间电荷形成的电场强度增大,初始放电电压(PDIV)减小;高频脉冲的频率和上升时间的提升都会导致放电重复率提升;由于电荷积聚效应的影响,放电相位向电压过零点移动。 最后,利用高频电老化平台进行了不同电源参数条件下的加速老化测试,根据已有的电气绝缘寿命模构建了关于不同电压上升率条件下的广义寿命模型,利用模型对电老化寿命进行拟合并讨论了绝缘老化机理。研究发现:电压上升率作为一个老化因子,其寿命符合逆幂定律,且与电压幅值老化模型形式相同。这是由于电压幅值及电压上升率及电压幅值的提升都增加了放电量,加快了绝缘老化进程。

关键词： 群体追逃博弈   任务分配   二分图   扰动因素  

摘要： 随着时代的发展,“人工智能+无人机”可能成为未来空战的主要形式.群体追逃微分博弈理论构成无人机集群空战算法的重要基础理论,而我国的国防建设急需最先进的群体追逃微分博弈理论和相应技术的支撑.本文在追逃博弈的框架下,研究群体追逃微分博弈最优控制求解以及追逐者的任务分配问题,主要研究内容如下:首先介绍了本文涉及到的重要定义,然后对经典的一追一博弈和多追一博弈进行模型构建和最优控制求解.其次针对完全信息博弈的情形,求解追逃双方的最优控制,基于二分图理论,为追逐者设计任务分配算法.本文给出的任务分配算法保证逃避者能够智能地最大限度地延长被捕获的时间,在足够信息的支撑下取得更好的博弈的解,并且给出了算法的时间复杂度及证明,确保了算法的可行性及有效性.再次针对逃避者视野受限的情形下的不完全信息博弈,求解追逃双方的最优控制,并在考察扰动因素的情况下,基于二分图理论,为追逐者设计任务分配算法.实验证明,本文给出的任务分配算法能使得原本冗余的追逐者有可能转化为积极的追逐者.最后针对具有流场的不完全信息博弈的情形,求解追逃双方的最优控制,基于二分图理论,为追逐者设计任务分配算法.该算法可以扩展到研究更加复杂的流场情形中.

关键词： 多目标最优控制   终端约束   控制组合方案   沙蚤寄生虫病  

摘要： 沙蚤病是一种季节性寄生虫病,长期威胁着人类的生命健康,因此采取有效的预防和控制手段对于人类的生命健康和社会经济具有重要意义.本文根据沙蚤的生命周期以及沙蚤寄生虫病的实际感染过程,针对人群和沙蚤种群,从感染者人数以及所消耗的控制成本两个方面,提出了一个含有终端状态约束的双目标最优控制问题,研究了所有控制组合方案对于控制该疾病的影响.主要内容如下:首先,建立了一类沙蚤寄生虫病控制系统,引入了四类控制措施:个人防护、治疗手段、消灭沙蚤成虫和幼虫的化学方法.根据再生矩阵法推导了该系统的控制再生数与基本再生数.其次,以累计感染者人数和控制成本为目标泛函,以上述沙蚤寄生虫病控制系统以及对于终端时刻感染者人数的要求为主要约束,提出了一类有约束的多目标最优控制问题.然后,构造了一种改进的Normal Boundary Intersection方法和内点方法相结合的数值算法.最后,采用了2020年Madagascar的Toamasina地区的实际数据,针对雨季和旱季的四种控制方案的15种组合情况进行了数值模拟,研究了控制变量对于控制再生数的影响,给出了不同控制组合方案下的Pareto前沿,讨论了在不同季节15种控制组合方案对于控制该寄生虫病的影响.数值结果表明:在雨季,所有控制组合方案均可以根除该疾病,其中采用加强治疗和消杀沙蚤成虫的措施相结合的组合方案对于控制感染者人数效果较为明显,采用加强消杀沙蚤成虫和幼虫的措施对于节省经济成本和根除疾病效果较为显著;在旱季,有11种控制组合方案可以使得该寄生虫病消亡,其中采用加强治疗和个人防护措施相结合的组合方案对于控制感染者人数效果明显,采用加强治疗、个人防护和消杀成虫相结合的组合方案可以根除疾病并且能最大程度地节约资源.同时,不论在雨季还是在旱季,根除该寄生虫病的最短时间是8天左右.决策者可以根据实际情况,选择适合的控制组合方案,一旦实施有效的最优控制方案,该寄生虫病就可以得到有效的控制.

关键词： 无限时区   平均场   随机线性二次最优控制   稳定性   代数Riccati方程   稳定解  

摘要： 本文讨论了一类在无限时区上具有确定性系数的带跳平均场随机线性二次最优控制问题,分为以下两部分. 第一部分讨论了一个无限时区上带跳随机线性二次最优控制问题.其中,系统的状态方程是一个受控的线性随机微分方程,包含由一维的布朗运动和泊松随机鞅测度共同驱动的仿射项.系统的性能指标是一个关于状态过程和控制过程的二次函数,并且含有交叉项.首先,为了保证问题的可行性,引入系统的L2-平稳性概念.其次,证明控制系统的L2-平稳性,可行控制集的非空性以及某个可积的代数Riccati方程存在一个正定解这三者之间的一个等价关系.接着,系统地研究了无限时区上带跳最优控制问题的开环可解性和闭环可解性的等价性,相应的等价性是通过相关的广义代数Riccati方程稳定解的存在性而建立的,这与有限时区的情况不同.此外,对初始状态x,任意的开环最优控制都能得到一个闭环表达式. 第二部分在第一部分的基础上引入平均场系统,讨论了一个无限时区上带跳平均场类型的随机线性二次最优控制问题.系统的状态方程是一个由一维的布朗运动和泊松随机鞅测度共同驱动的线性随机微分方程,其系数为常数,性能指标为线性二次的.此外,状态过程和控制过程本身以及它们的期望都包含在状态方程和性能指标中.对于该问题的研究,首先给出有关状态方程的一些基本结果.然后研究了控制系统的稳定性,引入L2-稳定性以及M F-L2-稳定性的概念,给出必要的假设以确保问题的可行性.最后通过求解两个代数Riccati方程,可以得到最优控制的线性状态反馈表达式,其中包含状态以及状态的平均值.