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关键词： 真空泵   屏蔽感应电机   矢量控制   最小能耗控制   无速度传感器  

摘要： 随着真空应用技术的不断发展,各个领域对真空泵的需求越来越高,真空泵驱动用电机作为真空泵的重要组成部分,影响着真空泵系统的性能。由于真空泵电机高能耗、低效率的特点,如何减小电机的损耗成为了当今的研究热点。本文以1.9k W的真空泵屏蔽式感应电机为研究对象,对真空泵驱动用异步电机的最小能耗控制系统展开了研究。首先,分析了真空泵用屏蔽式感应电机与普通异步电机的结构上的差异,建立了屏蔽电机的等效电路,并对真空泵屏蔽电机的损耗进行分析。由于普通异步电机在仿真过程中使用的是系统自带的模型,忽略了铁耗的影响,为建立更加精准的电机模型,在了解矢量控制原理的基础上,推导了考虑铁损的屏蔽电机动态数学模型。然后,根据考虑铁损的屏蔽电机动态数学模型,建立考虑铁损的屏蔽电机Simulink仿真模型,将自建的电机模型和系统自带的电机模型进行对比仿真分析,结果表明,自建模型与系统自带模型的输出电流、转速和电磁转矩曲线走势相符,验证该自建电机模型的准确性。并在此基础上,建立电机在d-q轴的等效电路,推导了基于损耗模型的最小能耗控制算法,并研究电机运行在不同工况时,电机损耗与转子磁通之间的关系,得出了最优磁链的变化规律。结果表明,基于损耗模型的最小能耗算法能减小屏蔽电机的损耗,提高屏蔽电机的效率。最后,由于屏蔽电机内部无法安装速度传感器,且异步电机的参数会随着电机运行过程的温度的升高而发生改变,影响控制效果。所以为了提高控制系统的准确性,采用了基于转子磁链的模型参考自适应法对转速、定子电阻和转子电阻进行在线辨识,通过仿真分析可以得出,估算转速在不同工况下的跟随情况良好与实际转速相符,定、转子电阻的跟随情况良好能快速跟踪到定、转子阻值,验证参数辨识系统的准确性。并在此基础上,通过仿真分析不同工况下真空泵电机最小能耗控制系统的效果,验证了该最小损耗控制系统的有效性。

关键词： 多电机驱动系统   功率平衡   模糊PID控制   直接转矩控制   控制策略  

摘要： 带式输送机往往需要具备长距离、大运量的运输能力，只用一台电动机作为其驱动装置难以满足要求，因此需要采用多电机驱动。由于电动机机械特性的差异及带式输送机自身特性等因素，驱动电机间常常会出现功率不平衡现象，由此更会产生某台电机过载甚至损毁的问题，严重影响系统的安全性和稳定性。因此保持带式输送机系统中驱动电机间的功率平衡对系统的正常运行具有重要的意义，本文即是对此展开研究。　　针对带式输送机多电机驱动时容易出现的驱动电机间功率不平衡问题，首先对功率平衡理论进行分析并完成了基于转速.转矩控制的功率平衡方案设计。其次分析了直接转矩控制的原理，并在MATLAB/Simulink仿真平台中搭建了异步电机直接转矩控制系统模型。控制算法方面，主要研究了转速调节器的控制算法，为了弥补传统PID算法无法实时调整控制参数的不足，采用模糊PID算法作为控制算法，并完成了应用于仿真模型的模糊PID控制器设计及应用于实验平台的模糊PID算法软件设计。在以上工作的基础上，结合功率平衡方案、异步电机直接转矩控制系统模型和控制算法，在MATLAB/Simulink仿真平台中搭建了多种控制策略下的多电机驱动系统模型，并分别进行了仿真实验，通过对仿真实验结果进行分析，完成了对控制方案和控制算法的仿真验证。最后搭建了由带式输送机模型、三相异步电动机、变频器、主控器、上位机组成的实验平台，完成了对控制方案和控制算法的实验测试。　　通过仿真实验和实验平台测试，验证了搭建的异步电机直接转矩控制系统模型和多电机驱动系统模型的正确性，同时也证明了设计的功率平衡方案的有效性，并且通过在仿真实验和实验平台测试中得到的较为理想的控制效果，验证了控制算法的优越性和实用性。

关键词： 边境旗县   协同发展   转移支付   公共投资   最优控制  

摘要： 边境地区是国家疆域的重要组成部分,我国许多边境地区经济基础薄弱,发展速度缓慢。为改变现状,许多边境地区选择了粗放型工业化发展模式,这虽然收获了经济的快速增长,但也导致了当地生态环境的破坏和边境居民生产生活环境的恶化,边境居民守土固边的积极性减退。如何能够兼顾经济增长和守土固边的目标,获得边境经济发展和社会福利水平的双重提升和相互促进,达成经济社会协同发展,是边境地区建设面临的核心问题。作为我国五个少数民族自治区之一,内蒙古拥有最长的中国陆地边境线,边境功能的重要性更加突出。改革开放前,战备和托管曾是内蒙古边境旗县的主要管理形式,经济建设被搁置,贫困问题较为严重。改革开放后,许多内蒙古边境旗县在经济上偏重于矿产资源开发,在带来高速经济增长的同时并未相应提升社会福利,反而造成了草原退化、牧场破坏等环境和经济社会问题。1999年起实行的兴边富民行动以改善民生为宗旨,一方面通过公共投资引导边境经济的转型与发展,巩固和扩展边境功能,为边境社会福利的提升打下基础,另一方面直接补贴边境居民的生产生活,增强其守土固边的能力和信心,进而更好地投入到边境的建设当中。兴边富民行动的成功实施展示了我国社会主义经济制度和福利制度的优越性。通过兴边富民行动的实施,内蒙古边境旗县的经济和社会发展取得了长足的进步,但当前依然面临着经济转型压力、社会福利增长支持单一等实际困难。内蒙古边境旗县亟待走上经济高质量发展的正轨,同时边境居民生活也应达成守土固边与共享改革成果、共同富裕的有机结合与统一。基于这些背景,本文尝试运用多种研究方法,通过民族学和经济学的双重视角探究边境地区经济社会协同发展的一致原则,并为其设计数理模型,同时了解内蒙古边境旗县经济社会发展的现状,并寻找实现协同发展的路径和方法。本研究分为六个部分,第一部分,首先界定研究内容概念,然后对涉及经济学、民族学和边疆学的相关理论进行了解,再对国内外的边境发展和公共经济研究进行文献综述;第二部分,首先通过对我国边境发展的国家政策进行对比归纳,抽象出边境经济社会协同发展的原则和实现方法,再结合最优控制理论为发展路径设计可以应用的数理模型;第三部分,利用年鉴数据,通过描述性统计方法获取内蒙古边境旗县的经济社会发展状况,并将之与同时期的内蒙古和全国发展状况做出对比,寻找发展特点、优势与不足;第四部分,对内蒙古边境旗县的典型嘎查进行田野调查研究,旨在了解边境旗县居民生产生活现状,获取其对于边境发展的意见;第五部分,选取与内蒙古边境居民生产生活关系最为密切的农牧业生产指标作为解释变量对产业经济增长进行影响因素实证分析,旨在了解地区经济增长的特点与效率,并为最优控制模型提供参数参考;第六部分,针对之前的研究成果总结内蒙古边境旗县经济社会发展中的主要问题,并结合其特点与潜力提出未来经济社会协同发展和边境居民权益保障的策略建议。本文主要获得的研究结论有:边境地区经济社会协同发展必须满足经济增长、边境功能、居民福利相互促进的原则,中央统筹边境地区发展时,一方面要考虑有效利用公共投资帮助当地过渡到自立发展,变“输血”为“造血”,另一方面要保障相应公共消费与补贴的稳定支持政策,保障和巩固已有的社会福利与边境建设成果,并应使二者达到符合本文模型优化条件的平衡。就内蒙古边境旗县而言,当前影响经济社会协同发展的主要问题包括:经济增长乏力,传统产业优化不足,社会福利仍需加强等。内蒙古边境旗县的经济增长需要发挥地理特点,利用科技创新,拓展贸易形式。未来内蒙古边境旗县要更加注重提升本地居民的权益保障,尊重居民的生产生活选择,通过政策支持、集体经济模式和科技创新引导传统产业的优化以增加居民的收入,让边境居民安心守土固边,共享改革成果。此外边境旗县政府还应开放理念,注重信息资源价值,增强管理能力。

关键词： Insulated gate bipolar transistors   Electric fields   Logic gates   Switches   Doping   Short-circuit currents   Voltage   Superjunction (SJ)   field-stop (FS)   short-circuit safe operating area (SCSOA)   insulated gate bipolar transistor (IGBT)  

摘要： This paper studies the short-circuit safe operating area (SCSOA) of the conventional field-stop (FS) IGBT and the superjunction (SJ) FS IGBT, based on 1200 V-rated samples, with the help of numerical electrothermal simulations. The results show that the peak electric field influences the distribution of the temperature inside devices and plays a crucial role in determining their SCSOAs. When the doping concentration of the collector, N-C, is low, the peak electric field exits near the collector. Both types of IGBTs have a long short-circuit time, TSC, which can exceed 15 mu s. TSC decreases with the increase of N-C because the peak electric field transfers to near the channel. The introduction of the SJ structure weakens the peak electric field and increases TSC. The difference is at least 4 mu s and up to 6.87 mu s, when N-C ranges from 2.0 x 10(17) cm(-3) to 1.1 x 10(18) cm(-3). Besides, TSC of the SJ IGBT can be iN(C)reased by using highly-doped pillars.

关键词： 多智能体系统   切换拓扑   输入时延   自适应动态规划   最优控制  

摘要： 目前,由于现代社会对智能电网经济调度和资源分配等优化问题的需求越来越迫切,多智能体系统的最优一致性控制逐渐成为了一个研究热点。传统的针对复杂系统一致性的相关工作主要关注系统实现一致的条件判据,而忽略了系统控制的最优化问题。在实际应用中,不仅要求系统达到一致,还需要优化控制成本,而目前对于最优一致问题的研究大多为具有固定拓扑的系统且采用基于双神经网络的传统强化学习方法。但由于环境变化等原因产生的系统拓扑切换时有发生,因此探讨切换拓扑下多智能体系统的最优控制问题更具应用价值。此外,传统强化学习算法对长期信息的利用能力不足会导致收敛效率难以提高。针对上述问题,本文提出了输入时延影响下具有切换拓扑的多智能体系统的最优控制方法,并对传统强化学习方法进行了改进。论文主要工作概括如下:(1)针对模型未知的具有切换拓扑的多智能体系统,研究了其在输入时延影响下的最优控制问题。通过引入状态变量,将带有输入时延的多智能体系统转化为无时延系统。然后通过设计不显式依赖邻居信息的局部性能指标函数,消除了切换拓扑的影响。并提出了一种仅依赖系统输入输出数据的值迭代算法,该算法既能保证系统达到一致,又能最小化性能指标函数。最后基于演员-批评家神经网络,给出了具有周期性切换拓扑与马尔科夫切换拓扑的多智能体系统仿真实验,验证了所提出的最优控制算法的有效性。(2)设计了一种新型的动作强化学习算法来解决切换拓扑下无模型多智能体系统的最优跟踪一致性控制问题。通过为每个智能体设计一种不显式依赖邻居信息的性能指标函数,消除了切换拓扑的影响。通过设计的动作强化函数,提高了智能体对长期信息的利用能力。同时,基于贝尔曼最优性原理证明了价值函数的最优性。最后通过强化-演员-批评家神经网络下的数值仿真验证了所提出算法的有效性。(3)为验证本文所提出算法的有效性,利用Java中的Swing工具包,以无人机为建模对象,设计并实现了具有切换拓扑的多智能体系统最优一致性控制仿真系统,动态展示了多智能体系统在切换拓扑下实现最优一致性的实现过程。

关键词： 三体对抗   主动目标防御   视线导引   非线性系统   鲁棒控制   高增益观测器   最优控制   微分博弈   定性微分博弈  

摘要： 三体对抗是传统追逃博弈中的一个新兴问题,在军事和民事领域逐渐受到广泛的关注。在如今战场中,高速来袭的导弹(攻击者)对关键目标有着巨大的威胁,传统的方法无法保证其安全,此时,可采用发射保卫者(导弹或其他诱导目标)的主动防御措施进行拦截对抗。因此,有效的主动目标防御导引策略与追击策略成为众多研究的重点。在设计主动防御导引策略时,为了使其最大可能地拦截攻击者,需要考虑对目标与保卫者方不利的情况,即攻击者的性能优于目标和保卫者且攻击者的导引信息不可知。而已有的相关工作为了便于分析,通常假设保卫者的性能能够媲美攻击者,或假设三体对抗的状态信息完全可知。由于在实际情况下个体的性能与导引信息的可知性会影响三体对抗的结果,针对攻击者性能优于目标与保卫者和攻击者的导引信息不可知的情况,分别考虑了二维平面中的主动防御导引设计和三维空间中的主动防御设计,开展了相关工作。主要内容包括:首先,考虑二维平面内目标-保卫者对抗具有更强机动性能的攻击者的三体对抗场景。基于三点导引法的概念,以目标和保卫者的侧向加速度为控制输入,建立视线角误差与视线角速度误差模型。在建立系统模型时,放宽攻击者导引信息(侧向加速度)可知的假设,只需要攻击者的侧向加速度是有上界的,将攻击者的侧向加速度作为系统的未知扰动来处理。结合输入-状态稳定性理论,为目标和保卫者提出了一种双自由度的协同视线导引律,从而能够采用静态优化的方法最小化目标和保卫者的瞬时侧向加速度。此外,基于最优控制方法设计了目标的最优规避策略,为了避免求解非线性两点边值问题,对攻击者采取纯追踪导引的情况进行了分析与设计。其次,考虑了三维空间中的三体对抗问题。为了消除模型线性化带来的系统偏差,分别从俯仰平面和偏航平面出发,将攻击者不可知的侧向加速度作为系统的扰动,建立了以目标和保卫者的侧向加速度为输入的二阶非线性系统模型来描述目标-保卫者-攻击者三者在三维空间中的相对运动。结合输入-状态稳定性理论,设计提出了一种三体对抗的三维协同视线导引律,使得视线角误差与视线角速度误差对于攻击者的机动是输入状态稳定的。进一步地,针对实际情况下视线角速度状态不可测的情况,设计了高增益观测器进行估计,再结合上述的三维协同视线导引律,通过理论分析证明了闭环系统的稳定性,即所设计导引律的有效性。然后,将三体对抗问题描述为一个多人的微分博弈问题。针对目标-保卫者-攻击者三者共面的情况,以三者的视线距离和攻击者-目标视线与攻击者-保卫者视线的夹角为系统状态,建立简化后的三体对抗模型。基于定性微分博弈理论,在将三体对抗博弈转化为视线夹角博弈的基础上,考虑特殊情况,结合已有工作所得到的终端曲面,重新从攻击者-目标的视线与攻击者-保卫者的视线的距离比值的角度进行分析,得到一个视线距离比值博弈。结合阿波罗尼圆,分别在两个子博弈中构造了终端曲面,并推导出了三个参与者在终端曲面上的最优导引策略。所得到的结果与已有工作相比,从视线距离比值的角度进行分析,填补了视线夹角博弈所得到结果的不足。最后,以四旋翼无人机为控制对象,将其作为三体对抗中的参与者,为其设计速度与姿态的跟踪控制器。随后,搭建一个以三台无人机为主体的三体对抗实验平台。经仿真验证可靠性后进行户外实验,验证了所设计的三体对抗博弈的最优导引策略与所设计的控制器在实际飞行中的表现。实验结果表明,三体对抗博弈的最优导引在四旋翼无人机平台是可行的。

关键词： 互联系统   动态电压恢复器   比例积分控制器   比例积分微分控制器   模糊逻辑控制器  

摘要： 在电力系统中,干线传输的电能质量是主要关注的问题之一。如果设备出现任何有关电能质量的问题,它将会发生故障。电气设备可以是发电机、变压器、电动机、保护元件、控制系统或任何类型的负载。根据电压的幅值和频率,电力系统可能面临许多关于电能质量的问题,包括电压骤降、电压膨胀、谐波、中断和电压瞬变。电压跌落是配电网络中非常普遍的电压幅值问题。被称为电压骤降的短时间事件会损坏工业和电气设备。因此,为了克服电压骤降的影响,电力系统使用定制的功率设备。动态电压恢复器是一种用于缓解电压暂降的定制电力装置。电力系统中使用的配电网有三种类型:辐射型、环型和互联型。相比之下,径向和环形干线不如互联有效和可靠。互联系统由多个同步连接的发电机组成,为负载提供连续可靠的电力。如果任何发电机或任何输电线路发生故障,可以从系统的其他部分向负载供电。考虑到保护敏感负荷免受电压暂降和互联系统问题的重要性,本研究工作演示了几种使用动态电压恢复器的互联系统电压暂降缓解技术。它是一种定制的电力设备,当需要时,通过它将电压加到电力系统中,并且它总是串联连接。利用MATLAB/Simulink环境设计了一个用于系统分析的IEEE互联总线系统。建立了由多台发电机、母线和输电线路组成的IEEE标准化母线系统。DVR还设计了三种不同的控制方案,如模糊逻辑控制器、比例积分微分（PID）控制器和比例积分（PI）控制器,以缓解电压骤降问题。DVR的内部结构包括DC电压源、PWM发生器、IGBT、控制器单元、串联电感和电抗、并联电容和12端三相注入式变压器。电力系统中的控制器将检测到电压骤降,并向PWM发生器发送信号。PWM发生器将向转换器的栅极端子发送信号。DC电压源,通过转换器和变压器,将产生所需的电压注入系统,以减轻电压骤降。从仿真结果来看,电力系统在0.06秒到0.14秒之间发生三相故障,产生电压暂降。最初的结果是用PI控制器获得的。输出波形显示总谐波失真为27.29%,负载电压恢复为97%,这是完全可以接受的。测量由于谐波引起的电压和电流信号失真,称为总谐波失真（THD）。其次,PID控制器用于输出结果。PID控制器的电能质量恢复能力不太有效,因为它产生大量谐波,不适合非线性系统。PID控制器的输出波形包含111.19%的总谐波失真,96%的电压恢复非常差,因为谐波对系统非常危险。最后,应用模糊逻辑控制器获得结果。与其余两种波形相比,输出波形似乎非常有效,因为它非常简单,并且对运行时系统参数的变化非常鲁棒。它只含有17.53%的总谐波失真,并以接近99%的高速率恢复电压。最后对这三种控制器的仿真结果进行了详细的比较和讨论,并选择了最适合的基于模糊逻辑的动态电压恢复器。

关键词： 涡扇航空发动机   鲁棒模型预测控制   交替方向乘子法   变分不等式   预测—校正算法  

摘要： 航空发动机是飞机的“心脏”。随着飞行包线的不断扩展,对它的控制性能也提出了更高的要求。由于航空发动机的工作情况复杂,所以本文研究了一类带有外部干扰的涡扇航空发动机最优控制问题,主要内容概括如下:1、基于航空发动机的控制系统,我们考虑外部干扰,研究目标函数为极小极大（Min-Max）型的鲁棒模型预测控制（RMPC）问题。航空发动机的控制系统复杂,为了更好地表达“输入—状态—输出”之间的关系,本文以状态空间的线性离散时不变预测控制模型来展开。RMPC中的滚动优化是优化算法性能优劣的关键所在。首先,将最优控制问题（OCP）转化为带约束的Min-Max凸优化问题;其次,将Min-Max凸优化问题转化为变分不等式问题;下一步,应用邻近点算法（PPA）将变分不等式问题转化为两个二次规划（QP）子问题;然后,分别在两个QP子问题中引入松弛变量,转化为适合用交替方向乘子法（ADMM）求解的两个子问题;最后,应用ADMM算法求解这两个问题。通过求解地面慢车工况的涡扇航空发动机RMPC问题,验证了改进算法（RMPC-ADMM）求解策略的鲁棒性,且应用该算法可以使控制系统更快速地达到目标值。2、由于用于求解可分块凸优化问题的预测—校正算法能在保证收敛的前提下获得良好的效果,所以我们用RMPC-ADMM算法求出预测点后再对预测点进行校正,提出了一种基于ADMM的预测—校正算法（RMPC-NADMM）。具体是通过松弛延拓优化ADMM算法,进一步提高算法的求解效率。通过两组仿真算例验证了RMPC-NADMM算法的有效性。

关键词： 开闭管盖   结构设计   无刷直流电机   矢量控制   两相混合式步进电机   S型加减速曲线  

摘要： 根据国务院联防联控机制发布的《进一步做好当前新冠肺炎疫情防控工作的通知》中提到,常住人口500万以上的城市日核酸检测量要超过100万份。而当前核酸检测流程中的样本前处理分杯过程大都是由人工完成需占用大量的检测时间,尤其是样本管开闭盖步骤,只能通过检验人员进行逐个打开并从中吸取样本,严重影响了核酸检测的效率,并且还可能带来交叉污染的风险。本课题针对全自动高通量核酸提取分杯系统的开闭盖部件进行了研制,将开闭盖部件分成三个模块:管盖分离模块、升降模块和管体固定模块,明确各模块的使用功能,通过对实际开闭盖动作进行分析,提出了各模块相应的设计要求并进行结构的详细研制。包括对管盖分离模块的夹取结构设计成与管盖外围竖条纹相嵌合的形状,将夹取机构与旋转机构通过齿轮传动方式连接实现旋转开闭盖动作;对升降模块采用滑动丝杆方式搭载管盖分离模块上下运动,并设计弹簧装置用于满足开闭盖功能;对管体固定模块的夹取结构设计了缓冲块增大开闭盖时的摩擦力防止打滑,并在电机处增加位置编码器用以判断模块的运行状况。在具体模块详细设计时,考虑到部件体积和控制需求选用了无刷直流电机作为管盖分离模块夹取机构和旋转机构的驱动装置,选用了两相混合式步进电机作为管体固定模块和升降模块的驱动装置。并为了满足开闭盖部件的运动控制要求,对无刷直流电机与两相混合式步进电机的结构组成进行介绍,研究了电机的运行工作原理,构建了电机的数学模型,并在此基础上选择了矢量控制策略用于控制无刷直流电机的运行,利用Clarke变换和Park变换对无刷直流电机的数学模型进行降阶和解耦,设计了空间矢量脉宽调制算法实现矢量控制;同时设计了升降频控制策略的S型加减速曲线实现控制两相混合式步进电机的运行;并通过Matlab仿真软件建立了控制算法模型,验证了空间矢量脉宽调制算法和S型加减速曲线算法的可行性和正确性。最后根据电机选型和控制需求,对开闭盖部件运动控制系统的平台进行搭建,包括硬件电路设计的主控芯片最小系统及其外围电路、电源电路、电机驱动电路等,和软件程序设计的初始化主程序、中断服务程序等。并对搭建好的平台进行功能和性能验证,结果表明在排除样本管管盖长期老化磨损的情况下,开闭盖部件能够100%完成开闭盖动作,并且能够兼容不同规格尺寸的样本管,达到研制的预期。