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关键词： 永磁同步电机   矢量控制   无位置传感器   超扭曲滑模算法   死区补偿  

摘要： 永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)的驱动控制系统广泛应用于工业的各个领域中。一般的驱动控制系统会安装位置编码器,来获得转子位置和转速,这会增加生产成本,增大电机体积。因此,研究无位置传感器控制技术显得尤为重要。然而,在无位置传感器控制系统中,估算精度和死区效应是关键的问题,为解决上述问题,本文以永磁同步电机为研究对象,从滑模观测器和死区补偿两方面展开研究。 首先,为了解决传统滑模算法中抖振和估算精度低的问题,提出一种基于超扭曲(Super-twisting)算法的改进滑模观测器。推导超扭曲滑模观测器(Super-twisting Sliding Mode observer,STA-SMO)的数学模型,滑模观测器中的切换函数,用双曲反正切函数代替符号函数;转子位置观测器中,用锁相环代替反正切函数,来获取转子信息,并对超扭曲滑模算法的稳定性进行分析。通过MATLAB/simulink软件,对电机转速、转子位置、误差的仿真波形进行对比分析。证明超扭曲滑模方法能有效减小抖振,提高估算精度。 其次,为了减小死区效应对控制系统的影响,提出一种具有前馈控制思路的扰动电压观测器。通过推导电流谐波的数学模型,得到死区效应会增加系统谐波含量,降低估算精度的结论,其中,五次和七次谐波对无位置传感器控制性能影响最大。针对电流钳位现象,在观测器后加入线性补偿模块。通过MATLAB/simulink软件对电流、转速、转子位置等仿真波形进行对比分析,并且对电流进行傅里叶分析,得到电流补偿前后基波和各次谐波的含量。验证死区补偿方法能大幅减小五次和七次谐波含量,提高电流正弦度,提高无位置传感器控制技术的估算精度和控制性能。 最后,为了验证本文提出方法的可行性,搭建无位置传感器控制系统实验平台。包括控制板、驱动板、逆变电路、电源、电机和负载等实物。编写无位置传感器控制算法的软件程序,通过对比电机转速,转子位置和三相电流等实验波形,证明本文的方法能有效减小抖振、提高估算精度;同时降低谐波含量、提高电流正弦度、削弱死区效应对控制系统的影响。

关键词： 锅炉风机   改造   变频器   节能  

摘要： 就某大型煤化工基地内几类自备热电站风机能耗情况进行了分析。根据分析结果，针对典型锅炉风机提出了改造方案，并进行了工业化改造试验研究，发现添加液耦的方式可降低能耗约20%，而变频器改造后可降低能耗约35%。同时变频器改造方法可改善运行人员的工作环境，安全性能、经济效益提高明显，为其他企业的节能改造提供了参考方向。

关键词： 轨道驱动用直线感应电机   矢量控制   恒转差频率控制   场路耦合   流体场   温度场  

摘要： 直线感应电机因其结构简单、运行时转弯半径小、电磁推力大、维护费用低等特点,应用在轨道交通驱动系统上,更适合于现代城市发展对交通布局的要求。由于直线感应电机初级铁心开断、端部半填充以及端部效应的影响,均给其电磁性能分析、控制策略、损耗计算以及温度场分析等带来了困难。本论文以一台轨道交通驱动用单边型直线感应电机样机为例,针对电机及其控制系统、电机损耗及温度场分析等方面进行了研究,主要内容如下:1.以直线感应电机等效电路图为基础,搭建其仿真数学模型。基于该模型搭建了考虑横向和纵向端部效应的直线感应电动机矢量控制系统。仿真分析了该控制策略下不同速度段以及恒加速过程的控制性能,均满足轨道驱动系统对直线感应电动机的调速要求。2.搭建了样机的三维有限元仿真模型。基于MATLAB/Simulink、ANSYS/Simplorer及ANSYS/Maxwell等平台,搭建轨道驱动用直线感应电机场路耦合仿真模型,结合样机牵引特性曲线,仿真得出不同速度段以及变速、变载工况的电磁特性及电机本体磁密、电密云图分布,分析了控制系统对电机本体电磁场的影响。3.针对轨道驱动系统运行过程中考虑空气流动、运行状态变化等情况下电机温度场分析困难的问题,利用MRF法在ANSYS/Fluent平台搭建样机的三维流固耦合温度场仿真模型,综合考虑空气流体及动子运动对温升分布的直接影响,通过样机温升实验验证了该模型的准确性。结合2中场路耦合模型分析在控制系统下的电机各部件动态损耗,以其作为热源给定,仿真分析了自然冷却和强迫风冷下的场路耦合样机温度场分布,为控制系统修改和电机本体优化提供参考。4.利用样机尺寸的三维有限元模型,仿真分析了不同运行速度时转差频率对电机法向力、牵引力及各类损耗的影响,选取最佳转差频率作为控制系统给定。搭建了恒转差频率仿真控制系统,通过场路耦合同时对比矢量控制,分析了电磁性能,电机本体磁密、电密云图分布及各类损耗,得出其对法向力的控制效果,为直线感应电机驱动系统提供参考。

关键词： 匝道合流   智能网联车辆   最优控制   多车协同控制   队列控制   横向控制  

摘要： 智能交通和智能网联技术的发展为解决匝道合流存在拥堵等问题带来了新的方案。本文基于智能网联汽车技术,以高速公路匝道区域为场景,分别开展了多车协同规划及控制,多车队列合流控制和车辆换道控制研究,将匝道合流问题分为一般车流量和高峰期车流量下的控制问题,针对两种情况分别提出多车协同控制方案,提升了车辆通行效率及降低能量消耗。本文的主要研究内容有: 首先,分析匝道合流场景下的车辆行驶特点,建立匝道多车合流问题模型,在一般车流量下,建立车辆行驶能量消耗函数,将车辆匝道合流控制问题转化为最优控制问题,利用哈密顿函数及庞特里亚金原理求解车辆最优控制量,建立通行时间及能量消耗的联合目标函数,并以此为指标进行车辆同行次序优化,最终得到最优通行次序及其对应的最优控制量。 其次,对于高峰期匝道合流控制问题,将车辆根据进入合流控制区域的时间进行分组,建立了双层控制器,上层为基于最优控制的车组领航的之间的速度规划控制,下层为基于分布式模型预测控制的组内车辆队列控制,高峰期合流以降低车辆通行时间为主要目标,通过队列控制缩小组内安全行驶车距,提高道路利用率,从而提高合流效率。 再次,对于车辆将要行驶至匝道合并点处时,对车辆进行换道控制研究,建立基于五次多项式的换道路径规划,基于LQR(Linear Quadratic Regulator)控制的横向换道轨迹跟踪方法,分别针对两种合流情况下的车辆进行换道仿真,分析换道过程中的横向误差及车辆稳定性。 最后,利用小型智能网联车辆进行合流控制优化实验,介绍了小型智能网联车辆结构,针对合流优化方法分别设计了合流次序优化及队列合流控制下的实验过程,分析了车辆合流次序优化和队列合流的有效性。

关键词： 二阶双曲型方程   最优控制问题   有限元方法   POD方法   先验误差估计  

摘要： 最优控制问题在石油开采、温度控制、大气污染控制等众多科学和工程领域中具有广泛应用。但由于其物理背景的复杂性,导致其计算负荷和复杂度非常高,有时长时间的计算也会使其结果失去意义。这使得如何在保证数值解具有足够高精度的情况下简化计算、降低内存需求等成为重要研究方向。特征正交分解(POD)方法就是一种高效计算方法,其可以与多种数值方法相结合,目前成功地应用于复杂系统的降维建模。本文将POD方法与有限元方法相结合,应用于具有实际物理背景的二阶双曲型方程最优控制问题中。对于二阶双曲型方程最优分布控制问题,首先推导出其最优性系统。在此基础上,时间上采用C-N方法离散,空间上采用有限元方法离散,构造出全离散的C-N有限元格式。利用经典最优控制理论,分析有限元方法逼近下的先验误差估计。其次,将POD方法与有限元方法相结合,通过选取C-N有限元格式下部分时间层的数值结果作为瞬像,构造出POD空间和POD基,建立基于POD方法的降维C-N有限元格式。通过引入辅助变量的方式,分析了状态变量、伴随状态变量和控制变量的先验误差估计,为实际应用提供科学的理论依据。最后简述POD方法的算法实现,构造算例分别对控制变量无约束情形和有约束情形进行数值求解。对于二阶双曲型方程最优边界控制问题,与上述思路相同,构造出全离散的C-N有限元格式,并分析其先验误差估计。在此基础上将POD方法与有限元方法相结合,建立基于POD方法的降维C-N有限元格式,并分析其先验误差估计。最后构造算例进行数值求解。通过分析证明了 POD方法对于求解二阶双曲型最优控制问题是可行且有效的,可以在保证计算精度的前提下,提高计算速度,降低内存需求。在实际应用中,也可以根据对误差的可接受程度,来选择瞬像层数或POD基数量,从而达到合理有效利用资源的目的。

关键词： 模块化多电平换流器   IGBT模块   状态监测   自适应卡尔曼滤波算法算法  

摘要： 如今基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的高压柔性直流输电系统(modular multilevel converter based HVDC,MMC-HVDC)被广泛应用于输电工程,IGBT模块作为模块化多电平换流器的核心功率器件,其劣化过程引起的运行参数失真和内部结构异常将严重影响MMC的工作性能,因此研究其失效机理和状态监测技术对保证MMC的运行可靠性具有重要意义。本文针对模块化多电平换流器IGBT模块状态监测方法的主要研究内容如下: (1)根据IGBT模块在不同结温下通态压降与器件健康状态的对应关系,提出了基于通态电压的IGBT模块状态监测方法。通过研究IGBT模块内部“电-热-力”多物理场耦合的复杂劣化环境,以及焊接式和压接式两种类型IGBT模块的失效机理,分析了IGBT模块失效过程中特征参数的演变规律,建立了IGBT模块的通态电压模型,利用通态电压监测IGBT模块的运行健康状态。 (2)MMC的工作特性研究与仿真模型搭建。根据MMC及其子模块(Sub-Module,SM)的拓扑结构,分析了子模块的三种工作状态和六种工作方式。根据MMC的运行特性,建立了dq旋转坐标系下的MMC数学模型,并分析了最近电平逼近调制策略的性能优势,最后在Matlab/Simulink仿真平台进行仿真验证。 (3)针对卡尔曼滤波算法滤波精度易受系统噪声影响的问题,提出基于自适应卡尔曼滤波算法的IGBT模块状态监测方法。基于MMC子模块的端电压信息,根据模块内部IGBT和二极管的通态电压计算方法,通过引入加权因子对系统噪声进行实时修正,提升卡尔曼滤波算法对传感器采集过程中噪声干扰的过滤精度和效率,利用自适应卡尔曼滤波算法对子模块内部IGBT、二极管的通态电压和通态电阻等参数进行在线监测。 最后在Matlab/Simulink仿真平台中搭建五电平的MMC-HVDC系统进行仿真验证。结果表明,本文所提方法在恶劣运行状态下的监测速度相较于基于卡尔曼滤波算法的状态参数监测方法可提升15%左右,且误差可以控制在0.1%以内,能够满足预期效果,可为提高柔性直流输电系统的可靠性提供参考。

关键词： 反应扩散系统   复杂网络   斑图动力学   最优控制  

摘要： 传染病斑图是传染病动力学的重要组成部分,是研究传染病传播的主要方法之一。斑图结构直接反映了传染病在空间中的感染分布情况,在预测传染病传播趋势与传播速度的问题上发挥着重要作用。现实世界中,人群的分布以及人群之间联系的密切程度会影响传染病的传播情况。人群不是连续分布在空间中的,而是离散的分布在各个区域,于是,网络传染病斑图应运而生。反应扩散系统是研究传染病斑图的重要工具,然而其研究主要是基于连续空间的,因此建立网络上的反应扩散系统获得的传染病斑图更具有现实意义。目前,传染病反应扩散系统在连续空间上的理论研究已经非常成熟。但是,由于网络平均度、网络结构还有网络节点数导致的超高维数为复杂网络反应扩散系统的研究提出了很多挑战,导致网络传染病的研究较少。本文针对复杂网络反应扩散系统所面临的网络平均度、网络结构和斑图控制等问题开展了相关研究,对复杂网络上一类SI传染病模型的网络斑图和斑图控制进行分析和模拟。本文主要研究内容如下:(1)针对因病死亡率、网络平均度和网络结构如何影响网络斑图的问题,提出了一种针对SI网络传染病模型的斑图模拟算法,提供了网络反应扩散系统的斑图动力学理论分析和模拟实验。首先,将一个连续空间的SI传染病模型扩展到网络上,引入自扩散系数和拉普拉斯矩阵建立网络反应扩散系统;其次,运用斑图动力学理论进行图灵稳定性分析,推导出图灵不稳定性条件;最后,网络反应扩散系统结合斑图模拟算法在不同网络上进行实验,讨论产生的图灵斑图,揭示了因病死亡率、网络平均度以及网络结构对网络斑图的影响。(2)针对如何在降低控制成本的同时达到最好控制效果的最优控制问题,提出了一种针对SI网络传染病模型斑图控制的可变步长梯度算法,提供了网络反应扩散系统的最优控制理论分析和最优控制实验。首先,确定控制参数为传播率和因病死亡率,从而给定目标函数;其次,构建拉格朗日泛函,结合最优控制理论进行分析,推导出一阶最优性条件,得到伴随方程和目标梯度函数。最后,网络反应扩散系统结合可变步长梯度算法进行实验,通过对比分析目标斑图和受控斑图,评价可变步长梯度算法的控制效果和性能。(3)基于上述的斑图模拟算法和可变步长梯度算法,设计并实现了复杂网络传染病时空斑图演化与分析系统。本文取得的研究成果不仅丰富了网络反应扩散系统图灵斑图和最优控制的研究内容,而且为传染病防控提供了理论支撑和应用价值。

关键词： NPC逆变器   三电平   VSVPWM   模糊免疫算法   矢量控制  

摘要： 永磁同步电动机凭借较高的可靠性、高功率因数而被广泛地应用于各大工业领域,尤其近些年新兴的新能源电动车行业更是扩大了对PMSM的使用和研发需求。本文以PMSM逆变驱动和矢量控制系统为研究对象,重点对中性点箝位式三电平逆变器的脉宽调制策略和PMSM矢量控制系统中PID控制器优化。针对传统虚拟空间矢量脉宽调制策略的NPC式三电平逆变器存在直流侧电容中点电位波动以及输出中含有较高的共模电压含量的问题,提出了变虚拟空间矢量脉宽调制策略并引入闭环控制策略,可以兼顾中点电位波动抑制和降低共模电压。该策略在分析传统VSVPWM原理基础上通过优化基本电压矢量构成及基本矢量的作用顺序达到降低共模电压的目标,并利用遗传蚁群算法实现虚拟中矢量的动态调节;同时采用闭环控制策略,监测中点电位和中点电流流向,将中点电位波动控制在目标范围内。利用VVSVPWM策略实现PMSM的逆变驱动后,对PMSM的矢量控制系统的PID控制器进行优化。通过利用模糊免疫智能算法实现PID控制器参数的自适应求取。改进的模糊免疫算法利用免疫算法对模糊控制的隶属函数和控制规则进行分阶段优化,可从算法层面降低智能算法收敛计算的复杂度。同时为了避免矢量控制系统的中三个PID控制器全被模糊免疫算法优化时耗时量的过度增加,提出了加权因子实现模糊控制和模糊免疫PID控制模式的切换策略。为了避免调速时出现转速超调,在转速环控制器前增加自抗扰处理,使得PMSM获得良好的动态响应、转速稳态精度以及较平稳的转速调控。通过Matlab平台对VVSVPWM策略的三电平NPC逆变器的性能进行仿真测试,分别测试了逆变器输出的共模电压,直流侧中点电位波动情况。同时仿真验证了模糊免疫PID转速控制器对二阶时滞系统的控制能力,并进一步验证了NPC逆变器、智能PID控制器在PMSM的矢量系统中对转速控制的影响,仿真结果表明PMSM转速可以获得较好的动态响应速度,精确的转速稳态精度,并且避免调速过程中出现超调。该方法可用于多工业领域的电动机调速系统。

关键词： 分数阶最优控制问题   不等式约束   ABC导数   移位Legendre多项式   配置法  

摘要： 在过去的几十年里,由于最优控制问题在航空航天工程、汽车系统、机器人等领域的广泛应用而一直受到学者们的关注.与传统的整数阶模型相比,分数阶模型在描述具有记忆效应的物理过程方面具有明显的优势.本文将分别考虑在等式约束和不等式约束下同时包含整数阶和ABC导数的最优控制问题,主要研究以下内容: 1.研究具有等式约束的分数阶最优控制问题.首先,我们利用Banach不动点定理证明了Cauchy问题解的存在唯一性;然后,应用变分法和Lagrange乘子法得到了最优解的必要条件和充分条件,进而利用移位Legendre多项式和配置法提出了求解该问题的数值方法,并给出了误差估计;最后,通过数值算例进一步说明所提出方法的有效性. 2.研究具有不等式约束的分数阶最优控制问题.首先,根据KKT定理得到了最优解的必要条件;然后利用扰动的FB函数把必要性最优条件中的不等式约束转化为等式约束,并应用移位Legendre多项式和配置法,提供了一种数值方法;最后,给出了两个数值案例来进一步验证所提供的数值方法的准确性和有效性. 本文的主要创新如下:(1)研究对象的创新:本文以含有整数阶和ABC导数的分数阶微分控制系统为研究对象,所考虑的系统具有好的代表性.(2)研究方法的创新:本文利用移位Legendre多项式和配置法给出了一种求解分数阶最优控制问题数值解的新方法.