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关键词： 容错式PMa-SynRM   矢量控制   三逆变器驱动   单逆变器驱动   容错控制策略   无位置传感器控制技术   滑模观测器   扰动观测器  

摘要： 随着能源危机、环境污染、交通拥堵等问题日益严重,对汽车行业节能减排、低碳发展的需求变得愈发迫切。在这一背景下,电动汽车作为一种新能源交通工具受到越来越多的关注。容错式永磁辅助同步磁阻电机(Permanent Magnet-assisted Synchronous Reluctance Motor,PMa-SynRM)因其低价格、高功率密度、宽运行范围、高转矩密度等优点,成为了电动汽车驱动电机的重要选择。电驱系统作为电动汽车的核心部件,主要包括电机、控制器以及传感器等,每个组件故障都将影响驱动系统的正常运行,甚至导致系统瘫痪和安全事故,进而直接影响车内乘客的人身安全。因此,提高容错式PMa-SynRM驱动系统的可靠性是电动汽车领域发展的重要方向之一。鉴于此,本文对容错式PMa-SynRM缺相故障的容错控制和无位置传感器控制技术展开了深入地研究。 在容错控制方面,因缺相故障引入的转矩脉动会影响系统的稳定运行,提出了单逆变器并联驱动下的容错控制算法,实现了故障下的转矩脉动及铜耗最小。该容错策略与现有方法相比,不仅降低了驱动器的体积、复杂度,而且能够轻松地应用于多种开路故障情况下,使其推广变得更加便捷。然而,受到控制自由度的限制,该算法无法完全消除故障引起的转矩脉动。基于此,提出了三逆变器驱动下缺相故障的容错控制算法,通过对电机各模块间进行协同控制,保证故障后转矩脉动的完全抑制。相较于现有算法,容错时无需优化调制策略,显著降低了控制复杂度。 在无位置传感器控制方面,为了克服传统方法对直流偏置、高频噪声以及参数失配等扰动的敏感性,提出了一种基于自适应相位补偿的滑模观测器。该观测器在多种运行工况下均表现出卓越的估计精度。然而,当电机处于缺相故障下,该观测器的估计性能明显受到影响。鉴于此,提出了缺相故障下的无位置传感器控制技术,设计了频率自适应扰动观测器,该观测器既拥有对低频和高频扰动不敏感的特性,又对绕组开路故障具有较强的鲁棒性。 本研究的主要工作包括以下几个方面: 1.分析了容错式PMa-SynRM结构特性,建立了基于矢量空间解耦和基于三dq变换的解耦数学模型,设计了基于两种模型下的矢量控制技术,并从可行性和复杂度两方面对两种矢量控制技术进行比较。为了提高驱动系统的运行效率,提出了改进的最大转矩电流比控制策略。研究了三逆变器驱动和单逆变器驱动方式,通过仿真和实验验证了两种驱动方式的有效性,为后续容错控制及无位置传感器控制技术的研究奠定基础。 2.提出了基于单逆变器驱动下的容错式PMa-SynRM缺相故障容错控制策略。首先,研究了只抑制磁阻转矩脉动的容错控制算法。通过分析电机在正常和故障下的等效电路,确定各模块电流之间的固有关系,借助拉格朗日乘数法,求解出容错电流的最优解,实现了单相和两相开路故障后磁阻转矩脉动的有效抑制;其次,分析了考虑抑制永磁转矩脉动的容错控制算法。通过确定永磁转矩和磁阻转矩的占比,离线优化各模块电流幅值的最优系数,保证了故障后转矩脉动的最小化。 3.开展了基于单逆变器驱动下容错式PMa-SynRM无位置传感器控制方面的研究。提出了一种自适应相位补偿的滑模观测器,提高了传统观测器对于直流偏置和高频噪声的鲁棒性。为了能够在线补偿数字滤波器造成的相位延迟,设计了具有低通滤波器特性的扰动观测器。评估了参数失配对扰动观测器估计性能的影响程度,设计了对参数失配所造成的相位误差进行在线、实时补偿的自适应扩展状态观测器,提高了系统对于参数的鲁棒性。 4.提出了容错式PMa-SynRM缺相故障的无位置传感器控制技术。首先,研究了三逆变器驱动下电机缺相故障的容错控制策略,实现了故障后转矩脉动的完全抑制。其次,提出了基于频率自适应扰动观测器的无位置传感器控制技术,保证电机在缺相故障下仍能精确地估计出转子位置信息。设计了三阶锁相环对扰动观测器估计出的反电势中的位置信号进行提取,解决了斜坡加速过程中传统锁相环存在位置稳态误差的问题。此外,为了提高故障状态下的系统响应速度,采用复系数滤波器对反电势中的谐波信号进行预处理,从而适当放宽了扰动观测器的带宽。

关键词： 衰减信道   传输时滞   最优控制   镇定性分析   随机系统  

摘要： 随着通信技术的不断进步和网络科技的持续发展,网络控制系统被广泛运用于众多领域。然而网络控制系统也会受到网络传输环境的影响,导致系统中存在诸多不确定性。信息在网络传输中受带宽限制以及外部噪声干扰等原因,会出现数据丢包、传输时滞等网络诱导不确定性。另外,由于工业的发展和技术革新,控制系统也愈加复杂,在多并行信道系统中,会出现信道衰减现象。针对这些不确定性共存的系统的控制器设计也变得更为复杂。因此,具有多并行衰减信道与传输时滞系统的最优控制与镇定这一课题具有重要意义,同时又富有挑战性。本文研究了具有多并行衰减信道与传输时滞的网络控制系统的最优控制与镇定问题。利用随机系统的极大值原理、Lyapunov函数、Riccati方程、二维确定性极大值原理等理论工具,分别提出了针对多并行乘性噪声Markov跳变系统、带有多并行Markov衰减信道的无时滞系统与传输时滞系统以及确定性二维离散控制系统的最优控制器设计方法与可镇定性条件。主要研究内容如下:研究具有多并行乘性噪声的Markov跳变系统的不定号控制与镇定问题。该问题中,系统的状态和控制加权矩阵是不定号的。采用随机对角矩阵描述不同传输信道中具有不同衰减特征的乘性噪声。通过求解正倒向随机差分方程,给出了有限时域最优控制器。利用代数Riccati方程,提出了具有此类噪声以及性能指标中具有不定号加权矩阵的Markov跳变系统的可镇定性条件。研究具有多并行Markov衰减信道的随机系统的最优控制与镇定问题。针对此类系统,通过引入一个新的多模态Markov链,将该问题转化为一般Markov跳变系统的最优控制和镇定问题。进而提出了一种新的适用于对角线形式Markov丢包的极大值原理,在有限时域中建立了一组耦合差分Riccati方程,得到最优控制器的显式解。并根据最优有限时域性能指标,定义一个修正的Lyapunov函数,结合一组耦合代数Riccati方程,给出系统均方稳定的充要条件以及无限时域最优控制器。研究具有多并行Markov衰减信道与传输时滞系统的最优控制与镇定问题。与前一问题类似,首先借助新的多模态Markov链,将该问题转化为一般Markov跳变时滞系统的最优控制和镇定问题。基于转换后的系统,提出了一类新型的适用于传输时滞Markov跳变系统的极大值原理。利用耦合差分Riccati方程,给出了最优控制可解的条件,推出最优控制器的解析解。通过对有限时域中耦合差分Riccati方程的收敛性分析,得到了无限时域最优控制器和镇定条件。研究确定性二维离散网络控制系统的最优控制问题。基于Givone-Roesser模型,首先引入拉格朗日乘子构造汉密尔顿方程,进而给出了二维离散网络控制系统极大值原理。在此基础上,利用所得出的二维差分Riccati方程,完成了确定性二维离散网络控制系统最优迭代控制器的设计。

关键词： 永磁同步电机   无位置传感器控制   自抗扰控制   扩张状态观测器   降阶扩张状态观测器  

摘要： 永磁同步电机(PMSM)在工业生产、交通运输中应用越来越广泛。但因为其非线性特性、参数测定存在误差、外部干扰等因素,致使常用的PID控制、滑模控制等难以进一步提高PMSM的控制精度。自抗扰控制(ADRC)作为一种在PID的基础上改进而来的控制算法,因其具有强抗不确定性能力,超调抑制能力,对被控系统建模精确度要求低且不要求为线性的特点,在PMSM控制领域具有独特优势。分析ADRC总体组成,并对跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)、反馈控制器(FBC)这三大组件的原理与结构、稳定性、收敛性讨论研究。基于此,针对ARDC的算法以及在PMSM中的应用提出了自己的一些想法,并通过Simulink建模仿真验证。具体工作如下: (1)对于ESO,本文提出了一种被观测系统为线性或近似线性时的改进思路,使得被测扰动不包括系统的线性项,得到一种改进型ESO、改进型降阶线性ESO(RLESO),其优点是可直接观测出线性系统的外扰。同时,分析了ESO的观测误差与FBC的控制误差,针对线性ADRC,还为误差推导出了等效滤波器的传递函数。 (2)基于ADRC算法设计了PMSM矢量控制电流环,同时通过修改前馈解耦的方式改进传统PI电流环,对两者的控制效果做了对比与分析。针对电流环的输出,进一步设计了基于空间矢量幅度的新型限幅策略,减小限幅带来的失真并提高对电机电压的利用率。 (3)对于PMSM的机械状态,需要根据工程需要设计速度环或位置环,在无传感器控制的场合还要设计电机转速与转子位置观测算法。基于分别采用线性的改进型ESO和改进型RLESO的ADRC,本文分别设计电机速度、位置控制器,将理想模型未能计及的因素及电机受到的外力打包视为总扰动,通过ADRC尽可能地消除总扰动对电机速度、位置控制效果的影响。此外,基于线性的改进型ESO设计了被用于无传感器控制的反电动势观测器。 综合以上工作,本文基于Simulink仿真平台设计了一系列的仿真实验验证ADRC算法自身及其在PMSM矢量控制方面具有平稳、快速、无超调的控制能力及精准的扰动辨识能力。特别地对于电流环,在仿真实验中改进后的PI电流环抗噪性能仍然不及ADRC电流环,进一步凸显了本文设计的ADRC控制方案在PMSM矢量控制中的优势。

关键词： 最优控制   随机线性二次模型   Riccati微分方程   控制变量参数化   参数优化  

摘要： 近几十年来,最优控制理论被广泛应用于工业生产、药物治疗、金融及其他领域.线性二次最优控制模型主要研究系统状态为线性二次型形式的控制问题,已发展成为最优控制问题中重要的一类,其最大的优点是可以计算出精确的最优控制.但是在系统运转过程中,系统不可避免地会受到一些随机因素的干扰.因此,确定性线性二次最优控制问题已不能够准确地描述系统的运转过程.为了更好的处理随机因素的干扰,随机线性二次最优控制问题应运而生.在随机动态系统下,线性二次最优控制问题的最优控制也是可以计算得到的,但是其得到的最优控制依赖于一个Riccati微分方程,导致控制的解析方程非常复杂.因此,随机线性二次最优控制问题得到的最优控制通常无法应用在实际问题中.本文提出随机线性二次参数最优控制问题以及求解参数的控制参数化方法.通过引入控制参数化方法,最优控制的形式得到极大的简化,同时也产生一定的误差.因此,在控制参数化方法的基础上,提出控制参数分段化方法以降低误差.本文的研究内容主要分为以下三个方面:(1)构建随机线性二次最优控制模型,依据随机控制问题的最优性方程,推导了随机线性二次最优控制模型的最优控制、最优值的解析形式.其次,研究了最优控制、最优值解析形式中依赖的Riccati微分方程,并分析Riccati微分方程解的性质.(2)在随机线性二次最优控制问题的研究基础上,构建随机线性二次参数最优控制模型并提出控制参数化方法求解控制参数.然后,推导参数最优控制的形式、参数控制下最优值的形式及其所依赖的参数微分方程,并分析参数微分方程解的性质.最后,为了降低最优值与参数控制下最优值之间的误差,提出控制参数分段化方法以增加控制参数的个数,进而分析分段控制参数的形式以及分段控制参数下最优值的形式.(3)建立一个受随机因素干扰的库存控制问题,并求解库存问题的最优控制方程和最优值的大小.然后,依据上述的控制参数化方法,分别求解引入1个控制参数、2个控制参数和5个控制参数时的控制形式,并计算不同库存相应控制形式下的最优值.最后,对精确最优控制、最优值与参数化的最优控制、最优值进行对比分析,验证了所提的控制参数化方法的可行性和有效性.

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.

关键词： 局域电压采样模式   集成电压传感器   动态调控模型   IGBT  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）是工业控制、轨道交通和电网等系统中电能变换的核心器件,在串联均压、在线性能优化、在役器件健康状态监测等诸多场景都亟需IGBT电压采样关键技术的支持,以满足集成电路和系统智能化的要求,有效地保证系统正常和可靠地工作。因此,一直以来其采样的安全性、可控性和非线性误差是业界关注的焦点。现有IGBT电压采样模式的特点在于对功率器件全部电压数值域的检测,其发展受到限制:首先是采样安全性与信号分辨率的矛盾,在非调控下,采样端信号会随着电压量级的增加而增大,过大的动态范围将导致高压采样的安全性问题,若降低采样信号电平到安全范围,则影响信号的可辨识性;其次,采样特性参数的可设计性与可控性仍需要进一步解决,以提升集成式电压传感器的应用灵活性和场景适用性;最后,线性度是传感器的重要特性,如何在器件结构设计上降低采样的非线性误差,都尚未给出解决方案。 针对上述瓶颈问题,本文对IGBT的采样新模式与模型、新结构与应用进行深入研究。提出局域电压采样（Local Voltage Sensing,LVS）新模式,建立动态调控模型,提出集成器件新结构,进行流片实验验证,并开展LVS模式应用方法的探究。其主要创新点如下: 1、提出IGBT电压采样LVS新模式及其集成器件新结构。常规电压采样是全域、单工作状态模式,本文提出的LVS是局域、双工作状态模式,前者集电极电压(Vce)采样范围为0 V至额定应用电压（Vr）,LVS模式则引入采样起始电压(Vst),当Vcest时传感器处于“休眠状态”,而当Vce>Vst时处于“采样状态”。该模式聚焦于中高电压范围的局部电压数值域采样,因此可以突破高压采样的安全性与信号可辨识性瓶颈;同时,针对电压采样的温漂问题,提出功能复用思想,“休眠状态”被复用以提供结温状态信息,因此LVS模式兼具电压采样和温度采样两项功能,在获取结温的同时,可以修正电压采样的温漂特性。基于此模式,提出集成器件新结构,其特点在于“势垒的栅控性”:通过采样控制栅压(VG2)调控势垒高度,以控制载流子是否越过势垒,从而决定电压传感器处于“休眠状态”或“采样状态”,实现Vst的可控性,调整电压采样范围;借助Si基和Si C基不同类型的器件新结构验证了LVS模式的普适性,其电压量级覆盖600-3300 V、器件及材料类型包括IGBT、VDMOS和Si C MOSFET。 2、建立动态调控模型与集成新结构器件研制。在休眠和采样状态下,分析了可控势垒区的电势和电场分布,建立了势垒高度的动态调控模型,揭示了器件内部和外部的双重反馈机理,获得了势垒高度的动态调控与内部结构参数（掺杂浓度Na、高度D、半宽度W）和外部电学参数(采样控制电压VG2、采样电阻Rse)的关系,从而实现了Vst的可设计性与可控性,并使载流子越过势垒的输运方式从固有的指数调控转变为近似线性调控机制,降低了采样阶段非线性误差。借助该模型获得的设计公式,指导集成电压采样新结构的器件研制,基于6寸IGBT工艺平台,进行元胞及终端设计、工艺流程设计和版图设计并完成流片实验。测试结果显示,集成采样结构的IGBT芯片击穿电压大于1200 V、阈值电压为4.5-5.5 V、通态压降小于2 V;集成采样结构在VG2=0 V的条件下,测得Vst=622 V、采样第二阶段的非线性误差δ=3.85%;在VG2=-1 V的条件下,Vst=707 V、δ=3.42%,表明了LVS模式的可行性以及Vst的可控性,测试结果也验证了上述模型,同时说明了引入的反馈机制的正面作用;在LVS模式休眠状态下,随着温度升高采样电压近似线性上升,变化系数约为2.3 m V/K,表明其具有温度采样功能。 3、提出LVS模式的器件应用新方法。研究LVS模式的器件在应用场景中的采样精度和滑模控制下不同趋近律的控制差异,提出两种应用新方法:在直流母线电压监测应用中,LVS模式可以提升采样区间的利用效率,进而获得更好的采样精度,仿真结果表明,当设置母线电压基准为900 V、波动幅度为10%时,对应LVS模式电压变化了1.8 V,而传统采样模式电压变化仅有0.32 V,因而LVS模式具有更高的采样精度;在滑模变结构控制应用中,借助滑模控制器调控VG2可以使得传感器输出曲线收敛至预先设计的滑模曲面上,进而在应用端优化LVS传感器的采样品质,降低非线性误差,仿真结果显示,基于等速趋近律的滑模控制波形总体误差最大值为0.03 V,采样准确度可达99.0%,采样阶段整体非线性误差可降低至1.01%。

关键词： Maxwell方程   FDTD法   四阶差分法   Maxwell方程最优控制  

摘要： 电磁学在许多现代应用和技术中发挥着重要作用,如能源科学,纳米技术,生命科学,磁约束聚变,磁悬浮技术,微波加热,传感器技术等.一些物理或工程的实际问题都可以归结为麦克斯韦(Maxwell)方程约束的最优控制问题.然而,时域Maxwell方程最优控制问题的结构非常复杂,想要通过解析方法直接求得其显式解相当困难.因此,有必要对其数值解进行研究.本文探讨了一类Maxwell方程的数值方法,并将该方法初步应用到数值求解相应的Maxwell方程最优控制问题中,具体为:首先,给出了这类Maxwell方程的时域有限差分(FDTD)格式和四阶差分格式,分析了这两种方法的收敛性.并给出数值算例,算例结果与理论相符,即为FDTD格式在时空上均为二阶收敛,四阶差分格式在时间上二阶收敛,空间上四阶收敛.其次,将FDTD格式和四阶差分格式应用到时域Maxwell方程的最优控制问题中.借助Lagrange乘子技术,Helmholtz分解等得出由状态方程,对偶状态方程,一阶最优性条件联立构成的最优性系统.在此基础上给出了两种计算格式,建立了计算的迭代法,并给出了数值算例.数值结果表明,所给方法有效可行.

关键词： 模块化多电平换流器   IGBT开路   故障诊断与定位   故障模型   模型预测  

摘要： 近年来,模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)因模块化结构、输出电压等级高等优点成为中高压直流输电系统的核心换流器。MMC通过子模块(Submodule,SM)的串联即可实现电压等级的灵活配置。然而,与传统的换流器相比,MMC中包含大量的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)。IGBT是换流器中失效率较高的器件之一,其易发生开路故障并影响MMC的可靠运行。因此,针对MMC中IGBT开路故障展开故障诊断与定位研究对提升MMC的可靠性具有重要意义。目前,国内外研究人员对MMC中IGBT开路故障诊断方法进行了广泛研究。但现有的诊断方法存在阈值经验化设计、缺乏针对故障状态的数学建模、算法复杂等问题,导致诊断算法无法实时追踪故障状态且计算量偏大。本文围绕这些问题对MMC中IGBT开路故障特性进行了深入分析,结合故障SM电容电压特点建立了相应的故障状态观测器及数学模型,并基于此提出了相应的IGBT开路故障诊断方法。此外,为提高故障SM电容电压模型的建模精度,开展了SM电容容值估测研究,实现了对故障SM数学模型中电容容值的修正。本文的具体研究工作如下: 本文基于故障SM电容电压快速上升及故障前后SM电容电流状态发生变化的特征,推导了SM电容电压上限阈值公式,设计了SM电容电流状态观测器并提出了基于该状态观测器和事件触发的IGBT开路故障诊断方法。该方法实现了阈值定量化设计并利用事件触发方案启动诊断程序,有效节约了计算资源;此外,将SM电容电流状态观测值进行符号化,使定位更加简洁。仿真和实验验证了该方法的有效性。 基于SM电容电流状态观测器的诊断方法判定IGBT发生开路条件为电容电流状态发生改变,但是在故障前后SM电容电流未改变的情况下则无法对故障IGBT进行识别,影响了故障诊断速度,为此本文根据故障后SM电容电压变化规律,建立了故障SM修正开关函数、故障SM电容电压数学模型。基于该模型,提出了基于故障SM电容电压数学模型的IGBT开路故障诊断方法。该方法利用模型估算值与故障SM电容电压真实值之间的相似度定位故障IGBT,故该方法可在每一个诊断周期对故障IGBT进行识别,诊断时间更短。本方法为IGBT开路故障诊断提供了新思路:建立故障模型并通过追踪故障状态定位故障IGBT。仿真和实验结果证明了所提方法的有效性。 为了进一步降低诊断方法的计算量,建立了故障SM电容电压预测模型,提出了基于该预测模型的IGBT开路故障诊断方法。该方法与基于故障SM电容电压模型的诊断方法相比,其所需的状态数量、计算量及占用存储空间更少。进一步的,优化了事件触发流程,利用现有的电容电压排序算法,只将电压等级处于第一和第二位的SM电容电压同触发阈值比较,进一步降低了计算量。此外,分析和比较了现有诊断方法的优缺点。通过仿真和实验验证了所提预测模型的正确性和方法的有效性。 提出了基于采样数据一致性的SM电容容值估测方法,根据该方法可对故障SM电容电压模型和故障SM电容电压预测模型中的电容值进行修正,进而提高模型建模精度及其诊断方法定位故障IGBT的准确率。设计并搭建了MMC预充电电路并详细介绍了基于该电路的SM电容预充电方法及流程。在此基础上,详细分析了电容简化模型和SM电容充电电路结构,深入分析了SM电容预充电期间电容电压和充电电流之间的关系,推导了SM电容容值估测模型。进一步的,利用基尔霍夫电压定律对采样的电容电压和电流数据进行了一致性分析,实现了采样数据的筛选,提高了该电容容值估测方法的估测精度。仿真和实验结果证明了该方法的可行性和有效性。

关键词： 变频器   球磨机   调速控制   应用  

摘要： 球磨机是矿山企业的重要设备，同时也是大型高耗能设备。为了提高球磨机效率，需要对球磨机效率的影响因素进行研究。本文针对球磨机运行过程中磨球的不同运行形态，分析了球磨机效率与球磨机转速的关系，提出了球磨机的调速需求，并采用变频器调速控制技术来提升球磨机效率。球磨机调速可以选用具备PLC功能的开环控制的通用变频器，按照渐进式调速方式进行调速。结果表明，变频器输出频率与三相异步电动机输出转速变化呈近似线性关系，达到多段位调速的作用，以有效提高球磨机的工作效率。