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关键词： 正弦型电励磁双凸极电机   矢量控制   单位功率因数控制   最小铜耗   模型预测电流控制  

摘要： 正弦型电励磁双凸极电机(Sinusoidal Doubly Salient Electro-Magnetic Machine,SDSEM)是一种新型磁阻电机,结构简单、转子上无绕组、高温高速能力强。SDSEM反电势正弦度高,可采用正弦波激励,实现正弦驱动,转矩脉动比传统电励磁双凸极电机小,在航空起动发电领域具有广阔应用前景。目前,对SDSEM的研究主要集中在电机结构方面,SDSEM的控制方式鲜有人涉及,这限制了SDSEM的推广。电机电流的控制直接决定了电机的运行性能,因此本文针对SDSEM电流控制,采用理论推导、仿真分析与实验验证相结合的方式对SDSEM矢量控制和模型预测电流控制展开研究,旨在推广SDSEM应用,拓宽其应用场合。 本文首先基于SDSEM电机结构推导了SDSEM在不同坐标系下的数学模型;其次构建了SDSEM矢量控制系统,重点分析了SDSEM单位功率因数控制,针对SDSEM单位功率因数控制中铜耗较大的缺陷,利用SDSEM励磁电流可调的优点,提出一种单位功率因数下铜耗最小化的控制策略,实现了SDSEM在单位功率因数控制下的铜耗优化;最后将三矢量模型预测电流控制应用于SDSEM,针对其存在的计算量大、控制过程复杂的缺点,提出了一种低复杂度的改进三矢量模型预测电流控制策略,在保持三矢量模型预测电流控制良好性能的基础上,进一步降低了系统的控制复杂度和计算量。 在本文所提出的SDSEM控制策略的基础上,采用MATLAB/Simulink软件平台搭建了SDSEM本体及驱动系统仿真模型,设计并搭建了以数字信号处理器和复杂可编程逻辑器件为控制核心的SDSEM驱动控制系统实验平台,通过仿真和实验验证了所提控制策略的有效性,为进一步研究和推广SDSEM应用提供了参考。

关键词： Heston模型   通胀指数债券   可违约债券   HJB方程   最优控制  

摘要： 由于市场环境的不确定性,保险公司的保险业务范围和种类以及保费会随着市场震荡的幅度加大而增多.一方面保费的增多以及公司考虑利益最大化的原则,会促使保险公司对保费使用范围扩大,会加大对金融市场以及债券市场的投资力度;另一方面,随着保险业务范围和种类的增多,部分业务的风险超出了保险公司的承担范围,保险公司为了规避风险而对再保险业务的需求也会随之上升.这就需要研究保险公司的最优再保险-投资策略.首先,考虑在最低绩效保障下,保险公司可在金融市场上投资选择三种资产:无风险资产、通胀指数债券和风险资产.在考虑市场的随机波动率下,在CARA(Constant Absolute Risk Aversion)效用函数下,运用动态规划求出最优投资和再保险策略,运用数值模拟讨论相关参数对最优投资和再保险比例的影响.其次,研究了在考虑债券违约的金融市场环境中,风险资产价格服从Heston模型下,以保险公司和再保险公司共同利益最大化为目标的保险公司和再保险公司的最优再保险-投资策略.针对CARA效用函数分别在违约前后建立相应的HJB(Hamilton-Jacob-Bellman)方程,最后分析相关参数对于两家公司最优再保险-投资决策的影响.最后,我们对全文进行总结,并对未来做出展望.

关键词： Stokes方程   最优控制问题   虚拟元方法   先验误差估计   后验误差估计  

摘要： Stokes方程最优控制模型在流体力学,航空航天等方面有重要应用.近年来,虚拟元方法凭借其网格剖分的高度灵活性成为求解偏微分方程数值解的有效方法之一.本文主要研究了 Stokes方程最优控制问题的虚拟元方法,构造了虚拟元离散格式,并给出了相应的先验误差估计和后验误差估计.考虑如下控制受限的Stokes方程最优控制问题:求(y,p,u)∈ V × Q × Uad满足(?)J(y,u)=1/2‖y-yd‖L22(Ω)+γ/2‖u‖L22(Ω)s.t.其中,J(y,u)是目标泛函,yd是目标状态,γ>0是正则化参数,Ω?R2是一个有界区域,边界为Γ=?Ω.空间V和Q定义为V:=H01(Ω),Q:L02(Ω)={q∈L2(Ω)s.t ∫ΩqdΩ=0}.控制约束集Uad定义如下:Uad={u∈L2(Ω):ua≤u(x)≤ub *** Ω}.其中,ua,ub是R2中的常数向量,并且不等式ua≤u(x)≤ub是在分量意义下成立.针对该问题,本文基于Stokes方程的虚拟元近似和控制变量u的变分离散构造了求解Stokes方程最优控制问题的虚拟元离散格式,推导了离散一阶最优条件,分析了状态变量,伴随状态变量和控制变量在L2以及H1范数下的先验误差估计.基于Stokes方程虚拟元方法的后验误差估计,借助最优控制问题解的误差和辅助问题解的误差之间的等价性,推导了最优控制问题后验误差的上界和下界.最后通过投影梯度算法和自适应虚拟元算法进行数值实验,验证了先验误差估计与后验误差估计理论分析的正确性.

关键词： 网络化控制系统   事件触发机制   最优控制   拒绝服务攻击   稳定性  

摘要： 网络化控制系统(Networked Control Systems,NCS)是一种能够实时反馈的空间分布式控制系统。传感器、执行器和控制器之间的通信是通过带宽有限的数字网络实现的。由于其成本低、灵活性强、易于安装和维护等优点,NCS已引起广大科研人士的关注。NCS已广泛应用于汽车自动化、智能建筑、互联网触觉协作、无人机等许多实际系统中。因此NCS的研究和开发是自动化领域一个非常重要而且有意义的课题。但是NCS在实际应用中存在多种不确定的问题,例如参数不确定性、非对称信息、带宽受限和网络安全等问题,都对其研究造成了很大的挑战。因此,本文针对NCS目前存在的热点问题进行了深入的研究。首先,考虑NCS存在参数不确定性和干扰攻击的影响。提出了一种基于事件触发机制的鲁棒控制策略,站在攻击者的角度考虑了攻击者能量受限的最优攻击策略,并利用线性二次型调节器(Linear Quadratic Regulator,LQR)方法求解出控制器增益,使用输入状态稳定性准则(Input-to-State Stability,ISS)推导了事件触发参数并分析了系统的稳定性。最后,通过数值仿真验证了所提事件触发控制策略在处理不确定性和干扰攻击的有效性。其次,考虑了非对称信息不确定NCS的分散式控制。控制器可以把观测数据和部分历史控制输入共享给邻居控制器,但是由于网络限制无法得到邻居控制器的这些信息,因此构成了非对称信息的情况。设计了基于卡尔曼滤波的估计器去处理系统噪声和量测噪声,通过庞德里亚金极大值原理处理预测误差协方差跟控制器耦合的问题,然后给出了最优反馈控制器的表达形式。最后,通过数值仿真验证了所提控制策略针对不对称信息不确定NCS的有效性。然后,研究了在(Denial-of-Service,DoS)攻击下不确定NCS的类切换事件触发控制。设计了一种类切换事件触发通信方案来处理间歇性DoS攻击,在保持预期控制性能的同时提高通信效率,并在DoS攻击引起的最大允许数据丢失的约束下,推导出了稳定性判据,并用于估计事件触发参数和求解控制器增益。最后通过数值仿真验证了该控制方法能够降低DoS攻击对系统的影响,同时节省了网络带宽。

关键词： 可修复系统   预警功能   C0半群理论   最优控制   可靠性  

摘要： 预警功能是指在系统或部件出现故障前,能够对其进行提前预警,并及时发出报警信号,从而有足够的时间对即将发生的各类灾害进行预判,降低灾害给人类造成的经济损失.可修复系统是一类系统,当构成系统的部件发生了故障或出现了劣质的时候,可以用不同的修理方法来让这些部件继续工作,它包括了系统的部件和一个或多个修理设备（或修理工）,将系统的状态分为运行状态和维修状态.具有预警功能的抽油机井采油系统能够根据预警信号,精准地发现油井生产异常情况并进行超前管控,或继续生产或进行维修,属可靠性数学中可修复系统的范畴,因此可以利用数学建模的方法研究此类系统的适定性、可控性、可靠性等重要特性.可修复预警系统的研究具有重要的理论和现实意义.因此本文分别从以下6个章节进行研究,主要内容是:第1章绪论,重点阐述了系统可靠性的研究历史及意义、具有预警功能可修复系统的研究现状及分析、本文的研究内容和方法、以及研究本文所涉及的一些概念、定理与性质等.第2章在可修复抽油机井采油系统中引入预警功能,利用补充变量与随机过程理论的方法,建立了可修复油井系统的数学模型,通过泛函分析将系统模型转化为Banach空间上的抽象Cauchy问题.第3章主要运用强连续算子半群理论和Volterra积分方程理论,分别讨论了系统算子半群特征、系统非负解的存在唯一性和系统解的适定性.第4章主要讨论修复率μi（x）(i=1,2)为维修时间x的函数,μ（x）=(μ1（x）,μ2（x）)为控制元,系统稳态解在有限时刻T到达预期稳态数值P*（x）∈R3×（L1[0,+∞）)2的最优控制问题.第5章主要在假设故障率、修复率和敏感度系数均为常数的前提下,得到了系统的瞬态可靠度和稳态可靠度,并证明了系统具有可靠性.利用Matlab数学软件得到了系统模型的数值解,并给出了相应的数值模拟图形,从而验证了可靠性理论的正确性.第6章是全文总结与研究展望.

关键词： IGBT驱动   隔离   变压器   保护功能  

摘要： 由于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)兼具了输入阻抗高、导通压降低等特点,自发明以来就得到了广泛的应用。在近几年随着新能源产业的迅速发展中,IGBT起到了关键的作用。而随着光伏发电,高铁电网,尤其是新能源车的发展,对IGBT的需求将进一步增大。IGBT工作时的可靠性强烈依赖于驱动电路的可靠性,驱动电路的性能直接影响着IGBT的工作效率与安全。目前,国外有许多的IGBT隔离驱动芯片,而国内的发展远不及国外,许多厂家也只是在起步阶段,因此,研究隔离式IGBT驱动芯片在当下具有重要的意义。本文首先介绍了IGBT的结构与开关特性,在分析了IGBT的安全工作区的基础上,研究了隔离式IGBT驱动电路的几种保护类型,最终本文的设计中采用了欠压锁定电路、有源密勒钳位电路和退饱和检测电路。本文还介绍了几种常见的隔离方式,以及磁隔离的信号调制方式,同时根据IGBT的工作特性,基于微型变压器,使用了一种改进的置位复位调制方式,增加了传统置位复位方式的可靠性。本文基于华润上华0.5μm BCD工艺和已有的微型变压器模型,设计了一款隔离式IGBT驱动电路,并通过仿真和流片验证。芯片输入侧与输出侧电源电压分别为5V与15V,两片之间通过微型变压器隔离。在仿真阶段,得到的上升沿下降沿传输延时分别为145.5ns和131.2ns,在负载1n F时的上升下降时间分别为9.4ns和8.3ns,输入侧典型欠压阈值为3.8V/4.1V,输出侧典型欠压阈值为11V/12V,有源密勒钳位的开启阈值为2V,退饱和检测的阈值为9V。经过流片测试,基本达到了仿真的指标。

关键词： 固态断路器   碳化硅MOS管   IGBT   新能源汽车   反激电源   单片机  

摘要： 随着近些年全球能源危机的爆发,新能源行业的发展越来越受到重视,在这样的大背景下,新能源汽车行业的发展如日中天。在新能源汽车发展的过程中,安全问题是最受重视的问题之一,因为以高压电池为动力源的新能源汽车,回路当中的电流电压值很高,在发生故障时容易引起器件损坏和线路烧毁,从而引起爆炸起火等事故的发生,其中断路器作为控制整个汽车回路的总开关,在这种情况下它的保护作用就显得尤为重要。目前汽车上使用的断路器多为机械式的熔断器,比起传统的机械断路器,由电力电子器件构成的固态断路器具有关断速度快、使用寿命长等优点,可以为新能源汽车提供更好的安全性和可靠性。本文首先介绍了新能源汽车直流断路器的研究背景与国内外的研究现状,讲述了直流断路器的发展历史和演变趋势。紧接着介绍了本次设计的总体方案,是以全固态式断路器配合智能模块组成的智能固态断路器,然后介绍了方案的主电路设计,作者选取了IGBT开关管与碳化硅MOS管两种开关器件作为主开关的器件,搭建了主开关电路,并进行了相应的器件选取与开关仿真,同时选定了开关器件的驱动方案。对于直流固态断路器可能出现的过流、过压、短路、过温等故障进行分析,并提出相对应的解决办法来进行保护电路的设计,并且通过仿真来证明保护电路设计的有效性。最后对固态断路器辅助模块的电路进行原理分析,包括单片机控制模块、电流电压采集模块、数据存储与通信模块以及电源模块,同时也讲解了软件部分的工作流程。基于以上总体方案的介绍,作者分别以IGBT与碳化硅MOS管为主开关搭建了新能源汽车直流固态断路器的实验样机,模拟新能源汽车的运行工况,针对上述提到的故障进行实际的检验,成功的在400V/170A的条件下进行了安全关断,并且关断时间保持在了10us以内,完成了样机初步的安全运行。

关键词： 多智能体系统   在线强化学习   最优控制   安全   输入受限  

摘要： 本文主要研究带有输入受限的多智能体系统的同步最优控制问题以及安全最优控制问题.首先基于微分图博弈理论,为每个智能体定义了一个带有非二次型能量函数的性能指标,该性能指标依赖于智能体自身及其邻居的信息.利用黏性消失法修正值函数,使方程得到一个光滑的解.然后在一些合理的假设下,对多智能体系统的同步最优控制问题以及安全最优控制问题分别提出同步最优控制策略和安全最优控制策略.具体地,第三章利用在线Actor-Critic(A-C)算法研究了带有输入受限的领导者-追随者多智能体系统的同步最优控制和干扰抑制问题.与现有的关于同步最优控制问题的工作不同,本章详细说明了输入受限将导致值函数不满足常见的光滑性假设.并由此引入了黏性消失法来修正值函数,使修正的Hamilton–Jacobi-Isaacs(HJI)方程存在唯一的光滑解,进而放宽光滑性假设.基于修正的HJI方程,开发了一种改进的A-C神经网络算法,以找到光滑的近似最优控制策略.最后,通过仿真实验验证所提同步最优控制算法的有效性.在第四章中设计了一个安全优化控制器,以保证多智能体系统在避免碰撞的同时保持通信连接,并使得预设的性能指标最小化.与现有的处理安全优化问题的二次规划方法不同,本章引入了一类新的类Lyapunov障碍函数,并将其作为惩罚项整合到性能指标中以保证安全,则有约束的最优控制问题转化为无约束的安全优化问题.利用黏性消失法修正值函数,以消除输入受限对修正的Hamilton–Jacobi-Bellman(HJB)方程的解造成的非光滑影响.通过开发一种改进的A-C神经网络算法,找到光滑的近似安全优化的控制策略.仿真结果验证了所设计的方法的有效性.

关键词： 主动控制   随机振动   参数优化   拓扑优化   灵敏度分析   显式最优控制  

摘要： 地震、台风等自然灾害会严重破坏建筑结构和桥梁结构等工程结构,带来巨大经济损失,危害人类生命安全。主动控制技术通过主动控制装置施加补偿力抑制结构振动,能够有效保障结构安全。控制系统的控制性能发挥依赖于控制装置的参数设计以及合理布局。考虑到环境激励具有明显的随机特性,因此有必要开展随机激励下主动控制装置参数与布局优化方法研究。传统的主动控制装置参数与布局优化方法一般依托于经典最优控制理论,受限于Riccati方程的数值求解,无法解析获取关于设计参数的灵敏度信息,一般需要采用非梯度优化算法,效率较低。此外,当考虑随机激励问题时,仅能考虑高斯白噪声激励,难以直接应用于强风、地震等非白噪声随机激励下的最优控制问题。近年来,一类结构显式最优控制方法快速发展起来,该类方法能够应用于一般非白噪声激励问题,并且能够解析获得受控响应的统计矩及其灵敏度信息。有鉴于此,本文将在结构显式最优控制方法的基础上,系统开展一般随机激励下主动控制装置参数与布局优化方法研究。本文的主要工作包括:(1)针对最优控制问题及控制装置布局优化问题开展了文献综述。简要介绍了结构控制研究的发展历程,重点阐述了确定性最优控制方法和随机最优控制方法的研究现状,分析了几种控制方法的优点及不足;详细介绍了控制装置布局优化的研究现状,总结了现有方法的不足。(2)建立了含有控制律权参数和控制装置位置参数的结构显式最优控制律。通过引入结构响应显式表达式,将以运动微分方程为约束条件的最优控制优化问题转化为无约束优化问题,获得以控制律权参数和控制装置位置参数解析表达的最优控制律;此外,借助结构响应显式表达式的降维优势,实现了针对关键响应的降维最优控制。(3)系统开展了确定性激励下主动控制装置参数与布局优化方法研究。在结构显式最优控制律和结构响应显式表达式的基础上,推导获得了控制力和受控响应关于控制律权参数和控制装置位置参数的灵敏度闭合公式;结合梯度优化算法,实现了确定性激励下控制律权参数优化及控制装置布局拓扑优化。(4)系统开展了随机激励下主动控制装置参数与布局优化方法研究。在结构显式最优控制律和结构响应显式表达式的基础上,考虑荷载的随机性以及量测噪声和控制噪声的影响,推导获得了控制力和受控响应统计矩及其灵敏度的显式表达式,以及结构动力可靠度及其灵敏度表达式;结合梯度优化算法,实现了随机激励下基于结构统计矩或动力可靠度的控制律权参数优化及控制装置布局拓扑优化。数值算例结果表明,所提出的结构显式最优控制律权参数优化及装置布局拓扑优化方法能够考虑一般非白噪声随机激励的影响,并且可以获得受控结构随机振动灵敏度的解析表达,从而可以高效获得控制律权参数及控制装置布局的优化结果,有效提升了结构主动控制系统的控制效果。

关键词： 智能网联无车道划分高速公路   元胞传输模型   内边界控制   匝道控制   通行能力陡降   上游流量抑制   二次规划  

摘要： 作为人驾驶环境交通规则的重要组成部分,车道划分与设置无疑有益于交通安全,但也带来负面影响,如降低道路横向空间资源的利用率。在高等级网联自动驾驶环境下行车安全可以得到保证,因此可以考虑采用智能网联无车道交通模式,不仅能消除车道划分的负面影响,还能充分发挥智能网联的技术优势,催生一种全新交通控制形式,内边界控制。在传统人驾驶模式下道路总空间资源一般在对向交通流之间等分或定分,无法灵活应对道路资源与交通需求的失配。在智能网联无车道模式下,道路双向交通流之间的硬隔离可以“软化”。通过高精度调控内边界,可以调度全部双向道路资源,实现各向交通需求和道路通行能力的最佳匹配,优化交通效率。本文聚焦智能网联无车道划分高速公路场景,研究内边界控制模型与策略,探索内边界控制的优势和局限,及其与传统高速公路控制方式的关联,并研究内边界与入口匝道的协同控制。本文主要研究内容和成果如下:(1)智能网联无车道交通流模型构建:既有宏观交通流模型都是针对传统有车道模式的,无法表征智能网联无车道模式下的内边界动态特性。本文首先构建了高速公路内边界动态模型,表征基于内边界位置系数的通行能力、临界密度、阻塞密度等关键参数的动态特性。其次,将内边界动态模型和具有通行能力陡降复现能力的一阶宏观交通流模型CTM相结合,建立适于智能网联无车道划分高速公路管控研究的可变内边界宏观交通流模型。仿真研究表明,该模型能够较好复现通行能力陡降,并能通过内边界动态设置使交通流按相应内边界传播。(2)内边界最优控制模型与控制策略设计:基于上述宏观交通流模型,以路网整体效率最优为目标,综合考虑控制稳定性、用户权利均衡等因素,构建智能网联无车道划分高速公路内边界最优控制模型。考虑计算效率,将非线性约束线性松弛,并通过强化目标函数消除线性松弛带来的上游流量抑制问题。仿真研究表明,内边界控制能很好应对对向交通流需求失衡导致的拥堵问题。(3)内边界和入口匝道协同控制模型与控制策略设计:当双向交通需求总和超过道路总通行能力时,单纯的内边界控制无法避免交通拥堵,因此需要引入额外的控制手段。本论文探索内边界和入口匝道协同控制的可行性及相关控制模型构建与控制策略设计。仿真研究表明,针对给定的不失一般性的高速公路场景,内边界控制能充分利用道路空间资源应对各向交通需求,使得路网总行程时间TTS下降41.8%,但无法避免高峰期入匝瓶颈发生通行能力陡降;匝道控制能保证入匝汇流区规避通行能力陡降,使得TTS下降16.1%,但无法处理各向通行能力与交通需求的失配;而内边界与匝道协同控制兼具二者优势,使得TTS下降43.5%,还能够在匝道空间有限的情况下实现对向匝道排队空间的共享。