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关键词： 双时间尺度系统   事件触发机制   输出反馈控制   最优控制   非零和博弈  

摘要： 双时间尺度系统指不同状态间存在显著的快变和慢变特性差异的系统,广泛存在于电力系统、机器人系统、航空航天等领域。因其具有不同时间尺度差异性,若采用传统控制器设计方法会带来数值病态问题;此外,如何节省控制信号计算资源,实现按需控制,也是现实中需要解决的问题。鉴于此,本文针对双时间尺度系统开展事件触发控制研究。主要研究内容和成果如下: 针对确定型双时间尺度系统镇定问题,建立了基于状态信息的动态事件触发机制。论文基于奇异摄动理论,通过快慢分解设计了复合事件触发控制器,进而在事件触发机制中引入了内部动态变量,延长了事件触发时间间隔。 针对结构不确定双时间尺度系统镇定问题,提出了动态事件触发输出反馈鲁棒控制器。论文基于输出信号设计了虚拟系统,与原系统一起构成增广系统,并建立增广系统的稳定性条件,并借助不等式等价关系和合同变换将该条件转化为易于求解的线性矩阵不等式,基于复合Lyapunov函数得到了结构不确定受控系统全局渐近稳定的充分条件,排除了芝诺现象。 针对干扰下结构不确定双时间尺度系统的输出调节问题,提出了动态事件触发输出反馈鲁棒控制器。论文基于内模原理与奇异摄动理论,通过状态变换将鲁棒输出调节问题转化为鲁棒镇定问题,利用前向设计技术,将控制器与内部模型解耦,避免了传统方法需要估计内模状态的要求。设计了动态事件触发机制,证明了受控系统具有实用鲁棒输出调节特性。 针对具有未知慢变动力学的双时间尺度系统次优控制问题,提出了基于状态信息的事件触发控制器。论文基于奇异摄动理论,将原最优控制问题解耦为快变和慢变两个子系统的最优控制子问题,基于状态及控制输入数据,利用执行网络和评价网络分别逼近最优控制参数。论文证明了受控系统是全局渐近稳定的,且控制器是次优的,并排除了芝诺现象。 针对动力学完全未知的双时间尺度系统多人非零和博弈问题,提出了各参与者在动态事件触发机制下基于状态信息的最优策略。论文针对双时间尺度系统提出了一种避免数值病态问题的修正算法。进一步地,基于该算法,采用强化学习思想,利用前期状态与输入信息获得训练数据集,离线迭代得到每个参与者的最优策略,实现了数据驱动下的纳什均衡。

关键词： 高速车辆   运行平稳性   天棚阻尼控制   最优控制   时滞补偿  

摘要： 我国高速车辆往更高速度发展面临着多方面的挑战,现有配备被动悬挂的车辆动力学性能的限制便是其中之一。由于半主动控制悬挂能显著提升车辆的动力学性能,使车辆面对当今繁密、多变的运营情况更加游刃有余的同时能够满足车辆提速的需求,因此获得了更多研究人员的关注。相比一些国家已将半主动悬挂落地商用多年,我国高速列车半主动悬挂技术研发起步晚,基础相对薄弱,在此方面仍处于理论技术储备与少量试验阶段。在此背景下,本文通过动力学联合仿真,研究了半主动控制悬挂对高速列车辆运行平稳性的影响,主要研究内容如下: (1)基于国内某型高速动车组相关参数,运用SIMPACK软件建立了50自由度整车非线性动力学模型,通过SIMAT接口与MATLAB进行实时通信,搭建了联合仿真模型并验证了该模型的有效性。 (2)基于开关型、连续型天棚阻尼控制策略与LQR最优控制策略,设计了三种二系横向半主动控制悬挂系统模型,研究了随机振动情况下,各半主动悬挂系统对于不同等效锥度、不同车速的车辆横向运行平稳性的影响,以及对于不同车速时的车体与构架的有效减振频率范围。 (3)分析了一次蛇行的机理与判定,通过降低车辆轮轨接触等效锥度仿真复现了车辆一次蛇行失稳,研究了各半主动控制悬挂在一次蛇行情况下对车辆横向运行平稳性以及构架横向振动的影响。 (4)通过在半主动控制模型中添加延时模块,探究了各半主动控制悬挂在不同时滞下对车辆运行平稳性的影响。 (5)为了研究时滞补偿对于车辆运行平稳性的影响,基于Smith补偿器设计了时滞补偿系统,对比分析了时滞补偿前后车辆的运行平稳性差异。最后,对比分析了考虑系统时滞的各半主动控制模型对不同车速下的车辆运行平稳性的影响。

关键词： 永磁同步电机   矢量控制   滑模观测器控制方法   同步旋转坐标系   积分型无位置传感器控制方法  

摘要： 永磁同步电机具有高效率、高控制精度和调速性能好等特点,在新能源电车、航天、船舶和工业自动化等众多领域广泛应用,发展前景非常广阔。采用机械式传感器获取转子位置反馈和速度反馈进行永磁同步电机高性能控制的方式对于传感器的使用环境要求较为苛刻,因此,研究永磁同步电机无传感器控制策略具有重大的现实意义。现阶段,滑模观测器控制方法是较为常用的无位置传感器控制方法,本文应用滑模观测器控制方法实现电机无位置传感器控制,针对其不足,本文提出了一种积分型无位置传感器控制方法。该控制方法结构简单、稳态精度高,同时与滑模观测器控制方法相比无需估计反电动势,易于实现。 首先,本文对永磁同步电机的基本情况进行了概述,在静止坐标系下建立了PMSM的数学模型,并阐述了常用于高性能电机驱动的矢量控制方法;基于静止坐标系,建立了滑模观测器的数学模型,采用同步参考坐标系锁相环获取转子位置、速度信息,并搭建仿真模型,对静止坐标系下SMO控制方法进行了仿真性能验证。 其次,在同步旋转坐标系下PMSM数学模型基础上,给出了旋转坐标系下SMO控制系统框图;由于滑模观测器自身结构使得其存在抖振现象,通常外加低通滤波器以削弱滑模抖振对系统的影响,然而,低通滤波器的引入使得估计反电动势幅值衰减和相位延迟。为避免使用低通滤波器,本文提出积分型无位置传感器控制方法,并在大信号模型下分析了所提方法的稳定性;搭建了相应的仿真模型并进行仿真性能验证,仿真结果表明,所提出的方法是有效可靠的。 然后,结合电机参数和技术指标,本文合理设计了电机控制系统硬件电路的总体方案,其主要由功率硬件电路设计和DSP控制电路设计构成;基于程序模块化设计思想,本文在CCS软件开发平台上完成了电机控制的主程序模块、中断程序模块的设计,并给出了滑模观测器控制方法和所提积分型无位置传感器控制方法的数字化实现框图。 最后,得益于软硬件支撑,本文于搭建的实验平台上对所提方法进行实验层面的验证。根据实验结果,验证了积分型无位置传感器控制方法的正确性和可行性,其对转子位置和速度估计准确性较好。与滑模观测器控制方法相比,积分型无位置传感器控制方法结构简单、无需估计反电动势、调节参数少且易于实现。

摘要： 永磁同步电机（PMSM）因具有体积小、鲁棒性好、效率高等特点,受到了各行各业的强烈关注1-4。随着电力电子技术与控制理论研究的不断深入,越来越多的控制策略应用于PMSM。其中,直接转矩控制（DTC）是目前应用于PMSM较广的控制策略。DTC相比于传统的矢量控制,在控制原理上避免了较为复杂的坐标变换,同时DTC控制下的PMSM鲁棒性得到加强。虽然采用该控制策略能够优化PMSM的性能,但DTC仍然存在缺陷,如PSMS的转速超调量过大、磁链和转矩波动等5-7。因此,通过控制策略优化提升PMSM的性能具有重要意义。

关键词： IGBT模块   可靠性   热疲劳   状态监测   牵引逆变器  

摘要： 牵引逆变器是城市轨道交通车辆电气牵引系统的核心装备,由于城轨车辆多工作于频繁启/停、急加速、惰行、急减速等复杂工况,其关键部件绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)模块易发生热致失效故障;而IGBT模块的故障又往往会引发整个变流系统的意外停机事故。一方面,相较于应用于平稳工况的功率模块,牵引用IGBT模块长期承受更恶劣的热循环冲击,导致封装焊料层热疲劳失效进程发展迅速。另一方面,相较于具有强迫风冷或液冷的变流器,城轨车辆牵引逆变器多采用开放的走行风冷设计,外界环境中的污垢易进入风道并附着在散热器表面,导致散热器散热性能下降、变流系统运行温度升高,进而加剧IGBT模块热致失效问题。状态监测有助于及时发现故障征兆,并指导基于状态的运维工作,是保障牵引逆变器安全可靠运行的关键措施。因此,针对上述牵引逆变器超温故障涉及的关键组件IGBT模块和散热器,本文分别开展了对应的监测方法研究,旨在为智慧运维提供理论依据和技术支撑,降低IGBT模块意外超温故障率,进而提高牵引逆变器热可靠性,保障车辆安全可靠运行。论文的主要研究内容与创新性成果如下:(1)提出了基于二端口热网络结壳温度转移比的结温监测方法。现有结温监测方法在温度计算过程中涉及诸多电参数,需要附加额外的高精度电信号测量电路,增大了运维成本、且可能会向原有系统引入新的不可靠因素。为此,本文基于电热比拟理论,以IGBT模块结温和壳温作为虚拟节点,构建了等效二端口热网络模型;利用端口温度转移比的特性,消去了结温表达式中的功率损耗项,建立了无需电参数的结温估算模型。所提监测方法无需测量电参数,在仅测量模块壳温的条件下,即可实现对动态结温的有效监测,有效降低了结温监测方法的硬件负担和实现难度。此外,针对牵引逆变器散热器对流换热效率随车速变化的特征,分析了散热工况变化对结温监测结果的影响;提出通过建立散热工况与模型参数查询表,当散热工况变化时修正模型参数,避免散热工况变化导致监测结果产生偏差。(2)提出了基于壳温升温阈值拐点的IGBT模块焊料层热疲劳状态监测方法。现有相关监测方法要求变流器处于(准)热稳态或特定电气工作点等运行状态,以确保监测结果的准确性,不适用于牵引逆变器的非平稳工况特征。为此,本文分析了IGBT模块升温过程中其内部瞬态热响应过程,总结了动态热参数在焊料层热疲劳老化进程中的变化规律,提出以壳温升温阈值拐点作为特征量的监测方法;通过比较实测拐点值与参考值的差异,评估IGBT模块焊料层热疲劳老化进程。所提监测方法无需在热稳态实施测量或改变逆变器原有工况以达到特定运行状态,降低了现有监测方法对实施条件的限制,实现了非侵入式在线监测,拓展了IGBT模块焊料层热疲劳监测方法的适用范围。(3)提出了基于散热器温度动态曲线偏移量的散热器散热性能健康状态监测方法。现有相关监测方法仅适用于散热工况可主动调节的散热器,且要求在系统运行状态相对稳定时实施评估,不适用于牵引逆变器散热器对流换热效率随车速变化且难以达到热稳态的特征。为此,本文分析总结了散热器温度动态曲线在散热性能退化进程中逐渐偏离参考曲线的变化规律。然后,利用人工神经网络匹配实测工况下对应的参考温度曲线,利用单向距离算法提取实测与参考温度曲线之间的差异值作为监测特征量,进而评估散热器散热性能健康状态。所提监测方法计及了牵引逆变器非稳态运行工况和散热器对流换热效率随车速变化的特征,且具有评估结果不受IGBT模块或热界面材料(Thermal Interface Material,TIM)老化的影响、软硬件简单、易于实施等优点。此外,进一步论证了该方法以IGBT模块内置负温度系数(Negative Temperature Coefficient,NTC)温敏电阻作为观测点,实现对散热器散热性能下降和TIM热疲劳老化进行同时监测的有效性。

关键词： 三维编织   压电复合材料   振动主动控制   最优控制  

摘要： 复合材料在振动环境中有着巨大应用前景,例如大型船体的颠簸、无人机机翼的颤振、振动能量收集装置等,三维编织复合材料作为一种先进的材料体系已经发展到应用于航空航天、汽车、海洋和生物医学等领域,实现了广泛的应用。振动不仅降低了复合材料结构的力学性能,而且还会造成结构的疲劳破坏,导致安全和经济问题。振动现象在工业生产、航空航天、精密加工和生产生活上产生了巨大的负面影响,有效地控制复合材料的振动具有重要意义。本文分析了三维编织复合材料力学性能,建立了一种三维编织复合材料振动主动控制模型,分析了三维编织复合材料工艺参数和温度对振动主动控制的影响,使振动带来的不利影响最小化。全文主要研究内容如下:(1)采用玻璃纤维和环氧树脂分别作为三维编织复合材料的纤维和基体部分,设计了一种三维编织复合材料,分析了三维编织复合材料编织过程中纤维纱线的运动轨迹,得到了其内部几何结构,使用软件Solid Works对纤维形态进行拟合,建立了微观代表性体积单元模型。使用软件Abaqus对该模型划分网格并施加边界条件,预测了其力学性能。对不同编织角度和不同体积分数这两种工艺参数的三维编织复合材料进行模拟仿真,得到了其力学性能。(2)将压电陶瓷结构作为传感器和驱动器集成到三维编织复合材料梁的表面,分析了压电效应与压电方程,建立了一种三维编织复合材料悬臂梁振动主动控制模型。基于Euler-Bernoulli梁理论进行建模,分析了压电陶瓷驱动器和传感器对梁的作用,推导出了梁的控制方程和空间状态方程。通过软件Matlab/Simulink模拟仿真了振动主动控制过程,采用线性二次型最优控制(LQR)方法进行控制,分析了不同加权矩阵Q和R对控制时间和驱动器电压的影响,并采用遗传算法(GA)选择了LQR方法中的加权矩阵,优化了振动主动控制效果。采用遗传算法优化后的LQR方法进行振动主动控制,分析了三维编织复合材料的编织角和纤维体积分数对梁模型的振动主动控制的影响效果。(3)研究了三维编织复合材料梁的热-力耦合下的振动主动控制问题。分析了温度对三维编织复合材料的性能影响,预测了不同编织角度和不同体积分数的三维编织复合材料在不同温度下的力学性能,分析了温度对三维编织复合材料梁振动行为的影响,建立了热-力耦合下的三维编织复合材料梁的振动控制方程,研究了热-力耦合下不同编织角度和不同体积分数的三维编织复合材料梁的振动主动控制。

关键词： 直线感应电机   边端效应   线性自抗扰   粒子群算法   半实物仿真  

摘要： 随着社会的发展,城市轨道交通进入了大规模的建设阶段,其中具有噪音低、污染小、安全性能高的中低速磁悬浮系统受到了广泛关注。目前,中低速磁悬浮常采用直线感应电机(Linear Induction Motor,LIM)作为驱动装置,但LIM是高阶、时变、强耦合的复杂非线性被控对象,且在运行过程中,未知的扰动对控制效果会产生一定的影响,因此采用建立在线性模型之上的传统PID矢量控制方法并不能实现对系统性能的有效控制。线性自抗扰控制(Linear Active Disturbance Rejection Controller,LADRC)可以不依赖被控对象模型,降低非线性、扰动性对跟踪效果的影响,大大提高系统稳定性和抗扰性能。本文以LIM为研究对象,在LADRC理论的基础上,对LADRC进行改进使其适用于直线感应电机矢量控制系统,具体内容如下:首先,本文分析了LIM的工作原理及特性,对特有的四种边端效应进行归纳总结,并提出相关解决方法,再通过二维有限元仿真对LIM电磁场进行分析,验证动态纵向边端效应对气隙磁场的影响,随后根据T型等效电路建立考虑边端效应的LIM动态数学模型。为了抑制电机运行时产生的扰动,对列车运行时产生的电磁扰动和负载扰动进行分析研究,为后续速度环的设计提供理论支撑。其次,根据电机数学模型推导出包含电磁扰动和负载扰动的速度微分方程,设计出LADRC速度调节器,并建立LADRC速度外环和PI电流内环的矢量控制系统。为了加快收敛速度和减小观测误差,对LADRC速度调节器的扩张状态观测器进行改进设计,并采用赫尔维茨定理对其进行稳定性分析。通过MATLAB仿真实验,将改进LADRC(Improved LADRC,ILADRC)与LADRC的控制效果进行对比分析,仿真结果表明,在动态性能、跟踪性能以及抗扰性能方面,改进LADRC的性能表现都更加优异。再次,为了整定改进LADRC的三个参数,引入粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)进行寻优,传统PSO存在早期收敛、易陷入局部最优的问题,本文提出非线性惯性权重和压缩因子相结合的改进PSO算法(Improved PSO,IPSO),通过性能测试验证,说明了IPSO在收敛速度和寻优精度都比传统PSO更佳。随后建立IPSO优化ILADRC速度环参数的LIM矢量控制系统,实现速度控制器的参数整定。最后,为了进一步验证本文所提算法的有效性,搭建了系统半实物仿真实验平台,将电机控制算法和电机模型分别导入到快速原型控制器(Rapid Control Prototyping,RCP)与硬件在环(Hardware-in-the-loop,HIL)中,模拟真实的电机控制系统,将PI、LADRC、ILADRC以及IPSO-ILADRC速度调节器进行空载启动、空载速度突变、匀速突加负载的对比实验。实验结果表明,IPSO-ILADRC控制器在抗扰性、跟踪性以及稳定性方面更有优势,对轨道交通直线感应电机高性能控制方法提供一定的参考价值。

关键词： IGBT   可靠性   有限元分析   短路电流   状态评估  

摘要： 作为新能源技术中的核心装置,功率变流器承担着关键的功率变换任务。在极端的工作条件下,变流器需要具备更高的安全可靠性,以满足严格的要求和标准。绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是功率变流器中重要的组成部分,也是最容易发生老化失效的元件。IGBT的可靠性关系到整个功率变换能否持续安全高效地运行。通过对IGBT模块进行状态评估,可以有效监测设备的健康状态,及时维护或更换即将失效的IGBT,以保证系统的安全稳定运行。本文以IGBT的可靠性和键合线的状态评估为研究对象,进行了如下研究: 1.介绍了IGBT的主要失效类型及其相应的失效机理,并从理论上研究了模块老化对短路电流的影响,同时以IGBT的实际结构为基础建立有限元模型,基于该模型对焊料层进行多物理场耦合分析。根据焊料层的热应力分布情况,进一步研究了焊料层不同老化形式出现的位置以及相应的增长形式。对比焊料层两种老化形式在相同失效率下热阻的大小,发现空洞对模块可靠性的影响高于裂纹。 2.根据模块芯片上键合线的实际分布情况建立有限元模型,对键合线的主要失效形式进行仿真分析,分别研究了芯片与铜层之间相连键合线的脱落、芯片之间互连的键合线脱落对模块产生的影响。通过对比健康状态与键合线脱落后模块的热应力分布情况,得到了更为符合实际的键合线失效次序,并根据模块温度梯度的变化趋势,将键合线的失效过程划分为三个阶段。 3.搭建了IGBT短路测试平台,对仿真得到的键合线脱落次序以剪断的方式模拟,进行了IGBT短路测试实验。从短路电流波形中取固定时刻下的电流值进行定量分析,根据短路电流的偏差量变化将模块的老化分为三个阶段,与仿真结果一致。为了及时有效地识别出IGBT的运行阶段,使用IGBT短路电流作为特征量,设计了基于卷积神经网络和长短期记忆网络的模型,对不同键合线失效模式下采集的短路电流进行故障判别。实验结果表明,所使用的评估方法可以准确判断出键合线所处状态,验证了所提出的评估方法的有效性。

关键词： 永磁同步电机   霍尔位置传感器   矢量控制   霍尔偏移误差   全阶观测器  

摘要： 永磁同步电机具有功率密度高、可靠性高和易于维护等优势,在电动车领域具有广阔的应用前景。与配置高精度编码器和无速度传感器算法的永磁同步电机相比,配置霍尔传感器的永磁同步电机兼顾了系统成本和控制性能,适用于要求低成本和高安全性的应用场合。然而,霍尔传感器的位置分辨率较差,且在大批量的生产安装中,安装位置容易出现偏移误差。因此,本文以基于霍尔传感器的永磁同步电机系统为研究对象,围绕基于霍尔传感器的转子位置和速度估计展开深入研究,具体研究工作如下:(1)针对平均速度法存在估计误差大且滞后的问题,提出了基于最小二乘和滑模观测器的位置和速度估计方法。详细分析传统平均速度法的估算原理及估计误差,采用最小二乘算法不依赖于电机参数输出连续平滑的角度,采用滑模观测器基于电机模型实时估计转速,且对估计位置进行校正以提高估算精度,采用方波启动以解决离散位置信息缺失的问题,并对设计的观测器进行李雅普诺夫稳定性证明。(2)针对霍尔传感器的安装偏移误差,本文提出了基于自适应滤波的霍尔矢量转子位置和速度估计方法,以提高转子位置和速度的估计精度。依据转子机械运动方程,构造带谐波反馈解耦的全阶状态观测器,以减小观测器输入的量化误差。对偏移误差下的霍尔矢量进行快速傅里叶变换得到频谱分布,针对观测器无法去除偏移误差导致的低次谐波,提出采用自适应矢量滤波器来抑制谐波干扰,可以在保证观测器高增益的同时减小转子位置和速度的估计误差。(3)最后搭建了永磁同步电机对拖实验平台,分别在霍尔传感器准确安装和安装位置存在偏移误差时,开展了基于霍尔传感器的永磁同步电机转子位置和速度估计实验,仿真和实验结果均证明了本文所提方法的正确性和有效性。图73幅,表4个,参考文献70篇

关键词： 芯片结温   球形氧化铝   导热灌封料   IGBT模块   双面散热  

摘要： 随着电力电子技术的发展,IGBT等功率模块进一步小型化和集成化,芯片的“热失效”问题日益突出,严重影响设备的工作效率和可靠性。电子灌封胶作为功率模块内部与芯片直接接触的一种保护型材料,提高其热导率并配合双面散热结构设计,对于降低芯片结温具有重要意义。本文以具有绝缘、导热、低热膨胀系数等特点的球形氧化铝为导热填料,与低粘度的双酚F型环氧树脂复合,制备了兼具良好导热和流动性能的灌封材料,实现并验证了导热灌封料配合双面散热结构的显著效果。 首先,利用机械搅拌,超声分散,真空脱泡的方法制备了不同填料类型及添加量的氧化铝（Al2O3）/环氧树脂（EP）复合材料。角形和球形氧化铝制备的材料分别存在气泡和分层缺陷,严重损害复合材料的整体导热性能及可靠性。级配球形氧化铝彻底解决了分层和气泡问题,随着填料添加量的增加,灌封料的平面与纵向热导率不断升高,表现为各向同性,粘度也不断升高。80wt.%的填料添加量下,复合材料纵向和横向热导率分别为2.24 W/（m·K）和2.15 W/（m·K）,经事先预热提高流动性后即可满足工业使用要求。结合微观形貌图,解释了材料的导热机理和热导率的变化趋势。研究了力学性能,随着添加量从50 wt.%～80 wt.%的增加,复合材料拉伸强度与断裂延伸率整体都呈下降趋势,而材料的热稳定性提高,热膨胀系数降低,提高了复合材料的可靠性。 其次,设计实验考察导热灌封料的双面散热应用。从实验模拟到仿真模拟再到实际模块测试,对比了硅凝胶和导热灌封料对芯片结温的影响。在不同的冷却方式和散热结构下,两种材料封装芯片的温差逐渐扩大,从双面自然对流77.7W下的8.0℃到双面风冷下的13℃,最后到实际水冷应用时197.9W下的22.4℃。根据模拟和实验的温差计算出对应的接触热阻,分别为324.5 Kmm2/W,106.40 Kmm2/W和97.63 Kmm2/W。进一步通过仿真模拟研究导热灌封料配合新型双面散热结构在IGBT模块中应用,效果相对硅凝胶进一步提高。综合以上结果证明了导热灌封料在IGBT模块散热方面的良好效果和发展潜力。