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关键词： 生物数学模型   非线性收获   最优控制   非木材产品   可持续木材收获  

摘要： 森林资源属于可再生资源,对其进行合理的开发和利用既有利于种群持续发展又能够获得更高的经济效益。本文基于实际的木材收获问题,以森林中木材和非木材产品的相关背景的开发现状为基础,建立带有非线性收获项的木材与非木材联合收获模型。以往关于木材收获问题多是采用常数收获和比例收获,而在实际的生态环境中常数收获不利于种群的保护和恢复,且由于实际的收获问题中影响因素较多,也不能是简单的线性收获,因此本文采用非线性收获来建立模型,并利用最优控制理论,研究最优捕获问题。本文的主要研究成果如下:1.建立并研究带有非线性收获的木材与非木材的联合收获模型及其最优收获策略。利用常微分方程的相关定性理论,研究该模型的动力学行为,并证明平衡点的存在性和稳定性条件。其次,研究了木材与非木材产品的最优收获问题,着重分析两个带有非线性收获的木材与非木材联合收获的最优控制问题:只考虑经济效益的最优控制问题1Q,同时考虑经济效益与生态效益的最优控制问题2Q。选取收获努力量为最优控制变量,利用哈密顿函数和庞特里亚金极大值原则得到1Q,2Q的最优控制策略。同时,对最优控制问题进行了数值模拟。对比带有非线性收获与比例收获的最优收获策略的数值结果,最后得出可使生态效益更高,更加有利于种群可持续发展的最优收获策略。结合参数的敏感性分析,找出对收获策略影响较大的相关参数。2.由于森林中虫害会增加树木的死亡率,考虑甲虫与森林木材的相互作用关系建立生态模型,研究受甲虫影响的带有非线性收获的木材与非木材产品的联合收获策略。选取木材与非木材的收获努力量和对害虫的人为消杀率为最优控制变量,并给出具有实际意义的最优收获策略。

关键词： IGBT   键合线   焊料层   老化监测   电磁干扰  

摘要： 近年来,随着电力电子技术的高速发展,电力电子装置凭借其优良的性能被广泛应用于新能源汽车、高压直流输电、航空航天、轨道交通等多种领域。功率器件作为电力电子装置的核心,是实现电力电子装置电能转换的关键。由于电力电子装置的工作环境较为严苛,功率器件的高可靠性对系统安全稳定运行至关重要。绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)凭借其开关速度快、功率密度高、开关损耗小等优良的性能成为目前应用最为广泛的功率器件。电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)在高速开关的功率器件中不可避免,由于其在功率器件自身工作过程产生,会耦合功率器件内部老化信息,同温敏电参数等信号一样可以用作功率器件的老化监测。本文以IGBT模块组成的Buck变换器为研究对象,通过研究IGBT模块健康状态与EMI信号的关系,建立起IGBT模块焊料层空洞和键合线故障与共模传导干扰与辐射干扰的联系,实现了通过EMI信号对IGBT模块封装老化的完整监测。具体研究内容如下:1.介绍了IGBT模块的封装结构与老化形式、Buck电路中EMI噪声产生的基本原理;分析了封装老化成因以及封装老化对EMI噪声的影响机理;探究了Buck电路中共模干扰电流与差模干扰电流的传输路径,表明共模干扰电流的幅值与焊料层空洞程度有密切关系,以及键合线断裂根数对差模干扰电流幅值具有重要影响;阐述了键合线断裂后差模干扰电流的改变如何影响外部辐射干扰信号幅值。2.提出了基于共模传导干扰信号频谱幅值的IGBT模块焊料层空洞老化在线监测方法。首先,分析了焊料层空洞后对模块寄生电容的影响,表明模块寄生电容改变会影响共模干扰电流的幅值。其次,探究了温度变化对共模干扰的影响,表明了在低频段内共模干扰幅值不受温度影响。最后,通过低频段内共模干扰电流幅值实现对IGBT模块焊料层空洞程度的监测。3.提出了基于辐射干扰信号的IGBT模块键合线老化程度在线监测方法。首先,分析了IGBT模块键合线断裂后对寄生电感的影响,得到了寄生电感随键合线断裂根数增加而增大的结论。其次,研究了模块寄生电感对差模干扰电流的影响,并将IGBT模块等效成磁偶极子向外辐射EMI。最后,利用近场探头捕获模块的辐射干扰信号幅值来监测键合线脱落根数。

关键词： IGBT   闩锁效应   雪崩效应   失效机理  

摘要： IGBT是性能优良、应用广泛的重要功率半导体器件,在实际生产应用中,往往会发生各种各样的失效,会对整个系统的运行以及生产成本带来巨大的损失,雪崩效应和闩锁效应是常见的失效原因。本文以1.2 KV的IGBT为例,研究分析了结构参数和外电路参数对闩锁效应和雪崩效应的影响规律,并且根据规律提出了抑制闩锁效应与抑制雪崩效应的具体措施,对提出的抑制措施加以验证,具体内容如下:1.模拟出IGBT静态闩锁效应这一现象,并且通过改变器件的结构参数,研究其对IGBT静态闩锁效应的影响规律,通过对比仿真结果,提出了三种抗静态闩锁效应的方法,分别是包含浅P+注入的结构、包含深P+注入的结构与包含N+发射极镇流电阻的IGBT。2.研究了少子寿命对IGBT的静态雪崩效应的影响规律,仿真结果表明,减少少数载流子的寿命,IGBT的闩锁电流和闩锁电压均增大,抗闩锁能力增强。这是因为降低了PNP晶体管的电流放大系数αPNP,从而提高了闩锁电流和发生闩锁效应的临界电压。3.模拟出IGBT雪崩效应这一现象,通过改变器件的结构参数,研究其对静态雪崩效应NDR1分支的影响规律,模拟器件动态雪崩效应现象及发生动态雪崩效应下的温度变化,根据仿真结果,提出了一种抑制动态雪崩的措施即增加栅极电阻。结果表明,闩锁效应的发生是因为空穴电流在P-base区的电阻产生压降,导致寄生的NPN晶体管导通;三种抗闩锁结构的结构提出均可对IGBT的闩锁效应有一定的抑制作用;静态雪崩效应的发生是因为发生了雪崩倍增现象,当注入效率αPNP越大时,NDR1分支的负微分电阻效应越强,闩锁效应发生的概率也越大;动态雪崩效应的发生因为基极开路的PNP晶体管关断,引起了电流丝的聚集效应;动态雪崩效应的高温主要集中在J2结处;最后提出了可以通过增加栅极电阻,来降低负载电流,避免电流丝的聚集效应,可以避免动态雪崩效应的发生。

摘要： This thesis explores the use of Fibre Bragg Grating (FBG) sensors for direct on-chip thermal sensing of Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs). The research focuses on three main aspects: (1) investigating FBG sensor bonding technologies on IGBT chip surfaces and the impact of various interface materials on thermal measurement performance, (2) analyzing the influence of FBG head length on IGBT thermal sensing accuracy, and (3) evaluating FBG sensor performance for in-situ IGBT junction temperature sensing compared to voltage-based methods.A Finite Element Analysis (FEA) model of the IGBT power module was developed to understand thermal distribution on the chip and assess FBG sensor performance. Various FBG sensor bonding techniques were explored, with the FEA model used to study thermal conductivity of interface materials. Performance of glue-bonded FBG sensors during thermal expansion and contraction was examined, revealing potential strain due to coefficient of thermal expansion (CTE) mismatches and adhesive forces. Effective sensing performance was achieved by operating FBG sensors within the glue's linear working ***, the impact of FBG head length on direct on-chip thermal sensing of IGBTs was investigated through thermal simulations and experimental characterizations. Challenges arising from significant thermal gradients in IGBT applications with longer head lengths were identified. Analysis of reflected spectrum distortion of FBG sensors provided insights into the limitation of accurately measuring IGBT junction *** were made between FBG-based contact temperature measurement and voltage-based approaches, assessing strengths, limitations, and potential errors associated with each ***, this research provides valuable insights into the application of FBG sensors for direct thermal sensing of IGBTs. The findings contribute to the understanding of the thermal behaviour of IGBT power modules and offer guidance on opt

关键词： 变分离散   界面问题   最优控制   后验误差估计   自适应方法  

摘要： 最优控制问题在工程和科学领域内有着广泛的应用,例如,材料科学、温度控制、大气污染等。在实际应用中,由于构成物质材料的多样性,不同物质之间存在界面,使得该类问题的数学模型隶属于界面问题,导致该类问题控制过程的数学模型则为带界面的偏微方程最优控制问题。由于界面的光滑性和正则性不好,精确解更加不宜求解。因此,研究这类问题的数值解就显得十分重要。本文针对两类带界面的偏微分方程最优控制问题的自适应有限元方法进行了研究,主要工作如下:第一部分我们研究了带界面的椭圆方程约束的最优控制问题。考虑到界面的光滑性和正则性不好,我们采用自适应浸入有限元方法进行求解。首先,控制变量用分片常数逼近,状态变量用分片线性逼近,给出了后验误差估计子。其次,为了节省计算工作量,提高控制变量的收敛精度,我们将变分离散的概念和有限元方法相结合离散最优系统。最后,我们进行了大量的数值模拟,数值实验的结果很好地验证了估计子的有效性。第二部分我们研究了带界面的抛物方程约束的最优控制问题。首先,我们采用变分离散方法进行离散,其中空间变量采用线性有限元离散,时间变量采用向后欧拉方法;其次,对该类问题的变分离散方法进行了后验误差估计。

关键词： 汽车悬架   线性二次规划   模型预测控制   优化问题求解   粒子群算法   FPGA  

摘要： 悬架是汽车的重要组成部分,而悬架又分为如下三种类型,被动悬架,半主动悬架和主动悬架。被动悬架没有复杂的控制元件,因此其成本较低,乘坐舒适性较差。半主动悬架性能相比于被动悬架性能有所提高,能够一定程度上缓解被动悬架缺点所带来的问题,而主动悬架相比这两种悬架能够更好的提高汽车整体的操作安全性和乘坐舒适性,由于主动悬架的性能是由其控制算法所决定的,因此本文利用了最优控制算法来对汽车悬架进行控制。 首先,利用最优控制算法中的线性二次型调节(Linear Quadratic Regulator,LQR)控制算法来对汽车悬架进行控制,通过给定的性能函数,给出控制序列,从而使得整个系统稳定并且达到一个最优值。虽然该算法简单便捷,但是同样存在一些缺陷,LQR控制算法忽视了实际情况与理想状态之间存在的误差,并且也没有考虑到实际车辆的约束问题。 其次,这部分问题能够被模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)算法很好的克服,模型预测控制算法它本身是一种基于系统的当前状态来预测系统未来状态,并且实现反馈控制的控制算法,该算法能够有效的处理多约束,多目标等优化问题。模型预测控制算法被广泛应用于小型或石油化工等慢动态响应系统,这是由于MPC控制算法的每一次最优值计算都是在线进行的,耗时较长。而汽车悬架系统是一种需要快速响应的动态系统,该最优值求解过程无法满足汽车悬架系统的实时性要求。因此考虑采用现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA),从硬件实现的角度来加速MPC的在线计算过程,满足汽车悬架系统的实时性要求。 最后,由于常用的MPC算法中的优化问题的求解算法多为串行算法,并不具备良好的并行特性。而粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)其本身就具备良好的并行特性。因此选择PSO算法来完成MPC算法中的最优值求解过程。根据粒子群优化算法的特性划分不同模块,并且模块分别流水线设计。在实现过程中,根据MPC控制算法特性,对矩阵计算的进行了降维处理,既节省了计算资源,又加快了计算速度,并且将最终结果应用在汽车悬架系统模型上,取得了预期的效果。

关键词： 同步电动机   矢量控制   状态观测器   无速度传感器  

摘要： 电励磁同步电动机具有高阶、非线性、强耦合的特点,因此控制难度较高,但是因其功率因数可调、效率高、转矩控制精度高等优点被广泛应用于大功率场合。在电励磁同步电动机调速系统中,磁链观测准确性、电压电流信号获取、电机转子位置获取等问题都会影响到其调速系统的性能。为了达到高性能控制指标,本文主要对电励磁同步电动机矢量控制方法、气隙磁链降阶磁链观测器以及无速度传感器获取转子位置的方法进行研究,主要研究内容如下: 本文推导电励磁同步电动机在静止坐标系和旋转坐标系下的数学模型。采用典型I型系统和典型II型系统对基于速度传感器的矢量控制系统的电流闭环和转速闭环分别进行传递函数推导与控制器参数设计,对解耦前和解耦后的M、T轴定子电流环进行重点研究,为后续无速度传感器矢量控制策略设计打下基础。通过搭建仿真模型,对所设计的矢量控制系统进行仿真验证和分析。 电励磁同步电动机磁链观测不准会降低其调速系统控制性能,本文基于所搭建的电机数学模型结合状态观测器与电励磁同步电机状态方程设计降阶气隙磁链观测器,运用双线性变换法对降阶气隙磁链观测器进行离散化并分析离散后的电机系统稳定性。在电机运行过程中,电励磁同步电机参数会随着温度、磁饱和以及电机运行频率等因素而变化,本文利用基于降阶气隙磁链观测器的电机系统极点分布的变化情况,研究参数变化对电机系统的影响。 在气隙磁链观测的基础上,本文对气隙磁链控制环节进行设计,对磁链环进行传递函数推导与控制器参数设计。机械式速度传感器的应用受限制较大,因此本文研究在无速度传感器的条件下获取电机转子位置。构建电压模型作为参考模型,然后构建电流模型作为可调模型,通过设计自适应率,估算电机转子速度和位置角估计值,最后设计基于气隙磁链定向的电励磁同步电动机无速度传感器矢量控制系统,并通过搭建仿真模型,对所设计的无速度传感器控制策略进行仿真验证和分析。 最后,基于以RT-LAB和TMS320F28335控制器为核心的硬件在回路半实物实验平台,将本文设计的控制策略进行c语言编程,并对其进行半实物实验验证,半实物实验结果表明本文所设计的基于无速度传感器的电励同步电动机矢量控制系统,转速估算精度高,控制性能良好。

关键词： 汽车动力总成系统   振动控制   动力吸振器   非线性能量阱   最优控制   模糊控制  

摘要： 汽车在行驶时，来自垂直方向上的振动对舒适性影响显著。随着行驶路况的变好与悬架技术的成熟，路面激励对汽车振动的影响越来越小;发动机激励具有不平衡性和宽频带性，在工作状态下，其振动一直存在，会对舒适性产生很大影响。基于此，本文针对汽车动力总成系统振动问题，进行了如下研究:　　(1)动力总成系统振动被动控制方法研究。首先对线性吸振被动控制方法进行研究,根据不动点理论对动力吸振器进行参数设计;其次对非线性吸振被动控制方法进行研究，采用复变量平均法推导得到系统的慢变方程，根据动力总成垂向振动幅频响应曲线分析不同参数下平衡点的稳定性和系统的鞍结分岔特性;最后对并联混合吸振被动控制方法进行研究，将动力吸振器与非线性能量阱并联结合，采用改进粒子群优化算法进行并联混合吸振结构的参数设计。通过时域响应、频域响应、悬架动行程及相图分析被动式动力吸振器、被动式非线性能量阱和被动式并联混合吸振结构的减振效果。结果表明，三者均可以降低动力总成在其共振区附近的振动，起到一定程度的振动抑制效果。　　(2)动力总成系统振动主动控制方法研究。首先对线性吸振主动控制方法进行研究,在动力吸振器线性吸振被动控制方法研究的基础上，基于线性二次型最优控制理论，设计主动式动力吸振器;其次对非线性吸振主动控制方法进行研究，在非线性能量阱非线性吸振被动控制方法研究的基础上，基于模糊控制理论，设计主动式非线性能量阱。通过时域响应、频域响应、悬架动行程及相图分析主动式动力吸振器和主动式非线性能量阱的减振效果。结果表明，主动式动力吸振器和主动式非线性能量阱具有更好的振动抑制效果，均可以进一步降低动力总成在其共振区附近的振动。　　(3)动力总成悬架系统振动主动控制方法研究。对动力总成悬架系统进行主动化设计，分别基于线性二次型最优控制理论和模糊控制理论，设计悬架主动控制器。通过时域响应、频域响应、悬架动行程及相图分析悬架主动控制的减振效果。结果表明，悬架主动控制同样可以降低动力总成在其共振区附近的振动，具有良好的振动抑制效果，也充分说明了所采用主动控制方法的正确性以及所设计控制器的有效性。

关键词： 状态监测   IGBT驱动电路   短路电流   IGBT老化特性  

摘要： 高压大功率IGBT模块在轨道交通、新能源发电、电动汽车等领域广泛应用,为了提高变流系统的效率,降低生产维护成本,此类IGBT模块一般采用多芯片集成封装的功率模块结构。变流器IGBT运行过程中,会遇到一些恶劣工况,如过流短路、负载冲击、温升突变等,影响IGBT的健康状态,降低IGBT的使用寿命。同时,随着IGBT的服役年限增长,其内部芯片及封装也会累计损伤,出现老化失效故障,对功率单元的可靠运行和变流系统的安全生产造成威胁。通过监测IGBT某些电气特征参数,分析参数的变化规律,可以实现对IGBT老化状态的判别。驱动电路与IGBT连接最为紧密,能够比较直接地获取IGBT的电气参数,从而更加迅速准确地判断IGBT老化故障,实现对IGBT的保护。本文设计了一种集成IGBT状态监测功能的驱动电路,从底层实现对IGBT电气参数的检测,判别IGBT的老化状态,保障变流系统的工作安全。 论文首先研究了IGBT工作特性退化机理,分析了饱和压降VCE（sat）、短路电流ISC、门极电流Ig、米勒平台持续时间tm、关断延迟时间tdoff在不同键合线损伤度下的变化趋势。选取短路电流作为反映IGBT老化状态的特征参数,推导出了IGBT在不同老化状态下的短路特性。考虑到常规短路工况下监测短路电流对IGBT的影响,采用降低门极电压和集射极电压的自激短路方法,实现对IGBT的状态监测。同时由于短路工况受结温影响较大,采用同步监测IGBT结温的方法来校准温度的影响。 论文详细介绍了集成IGBT状态监测功能驱动电路的总体方案,采用“自激短路单元+结温监测单元”的结构,实现对IGBT老化状态的判断。结合牵引变流器的工作流程,对IGBT的运行工况进行划分,以保证传统驱动功能不受影响。以CPLD为驱动电路的控制核心,实现各部分电路的逻辑配合及工作时序控制。 论文最后对状态监测方案进行实验验证。获取了结温与100m A下饱和压降的关系曲线,作为结温监测的重要依据。测试了不同工况下短路电流的变化趋势,验证了不同因素对短路电流的影响。通过剪断键合线来模拟IGBT的老化过程,并通过与额定电流下饱和压降进行对比,确认了短路电流作为IGBT老化状态参数的可行性。搭建了高低压实验测试平台,对IGBT驱动电路的性能进行实验测试,实验结果表明本文所设计的驱动电路能够在保证传统驱动功能的基础上实现状态监测功能,验证了本文方案的正确性。

关键词： 自适应动态规划   积分强化学习   动态面控制   输出约束   多智能体系统  

摘要： 随着工业系统规模日益庞大,控制任务变得更加复杂,人们对系统性能的要求也随之提高.近年来,多智能体系统(multi-agent systems,MASs)的优化控制问题已成为学者们的研究热点之一.如果实际工程系统的输出超出了既定的约束范围,其控制品质、稳定性及安全性都会受到严重影响.同时,实际复杂系统中常常存在未建模动态,这也会严重影响系统的性能和稳定性.目前,关于MASs优化控制的研究已经取得一定成果,但现有文献中考虑未建模动态和输出约束的研究并不多.因此,本文针对几类具有未建模动态的输出受限MASs,提出了几种自适应最优控制策略.本论文的主要工作和创新点如下:第一,针对具有未建模动态的时变输出受限不确定严格反馈非线性MASs,提出一种最优一致控制方法.利用一对一非线性映射将受限系统转化为等价的无约束系统,利用动态信号处理未建模动态,在动态面控制(dynamic surface control,DSC)方法的基础上引入误差补偿信号设计前馈控制器,结合自适应动态规划(adaptive dynamic program-ming,ADP)和积分强化学习(integral reinforcement learning,IRL)方法设计最优反馈控制器,利用神经网络(neural networks,NNs)在线逼近相应代价函数,并设计权重更新律.理论分析证明了所设计的控制器不仅保证全部跟随者组成的闭环系统是半全局一致最终有界(semi-globally uniformly ultimately bounded,SGUUB)的,同时跟随者的输出保持在给定的时变约束集中,而且使得代价函数达到最小.仿真结果验证了所提出控制算法的有效性.第二,针对具有未建模动态和时变输出约束的不确定严格反馈非线性MASs,提出一种最优包含控制方法.利用一种新型积分型障碍Lyapunov函数(integral barrier Lya-punov function,iBLF)处理输出约束,利用动态信号处理未建模动态,利用 DSC 方法设计前馈控制器,利用ADP和IRL方法设计最优反馈控制器,利用NNs在线估计代价函数,并设计权重更新律.理论分析证明了所有跟随者的输出收敛到领导者生成的凸包中,全部跟随者组成的闭环系统是SGUUB的,同时跟随者的输出保持在给定的约束集中,代价函数实现最小化.仿真结果验证了所提出方法的有效性.第三,针对具有未建模动态的时变输出受限MIMO块结构非线性MASs,提出一种最优包含控制方法.利用iBLF处理输出约束,利用动态信号处理未建模动态.基于DSC方法设计前馈控制器,并从第二步开始引入误差补偿信号,在ADP方法中引入IRL的思想设计最优反馈控制器,利用负梯度下降算法更新NNs权重.理论分析证明了所有跟随者的输出收敛到领导者生成的凸包中,全部跟随者组成的闭环系统是SGUUB的,同时跟随者的输出保持在给定的约束集中,代价函数达到最小.仿真结果验证了所提出方法的有效性.