“现代控制理论”课程思政建设思路与方案

“现代控制理论”是自动化专业本科生的一门重要的理论课程,主要的概念、思想和原理对于其它相关学科,如鲁棒控制、最优控制等都具有十分重要的作用。该课程以微分方程和线性代数为数学基础,分析系统的状态空间模型、极点配置等。通过对“现代控制理论”整门课程的内容进行梳理,挖掘课程思政元素及对应的知识点、教学资源,在教案课件中,把能力培养、价值塑造与知识传授有机融合。

耦合电感零输入纹波高增益非隔离DC-DC变换器

光伏、燃料电池等新能源系统的应用使低输入电流纹波高增益DC-DC变换器成为研究热点。在一种零输入电流纹波Boost变换器基础上,采用耦合电感,提出一种零输入电流纹波高增益非隔离DC-DC变换器。通过设计耦合电感变比,可实现变换器的高升压增益特性。耦合电感中存在的漏感在减缓二极管关断电流的di/dt的同时,却带来了开关管两端严重的电压尖峰。为了降低开关管两端的电压尖峰,提出采用无源无损吸收电路以吸收漏感能量和开关管两端电压尖峰的零输入电流纹波高增益非隔离DC-DC变换器,进而可选取低导通电阻、低电压等级的MOSFET以降低导通损耗,提高了变换器的效率。另外,变换器几乎实现了输入电流的零纹波,基本上不需要输入滤波器,从而减小了变换器成本及体积。文中分析变换器的工作原理及工作特性,最后通过搭建一台100 W、40 V/200 V的实验样机,验证理论分析的正确性。

一种新型非调节隔离DC-DC变换器

提出一种新型非调节隔离DC-DC变换器,也称为DC-DC变压器(DCX)。DCX变换器表现出理想变压器的工作特性,其电压传输比与负载、开关频率和占空比无关。该隔离变换器的变压器一次侧为带隔直电容的不对称半桥(AHB)电路架构,二次侧由变压器二次侧漏感、谐振电容和整流二极管组成。该变换器实现了一次侧开关管的零电压开通(ZVS)和实现二次侧二极管的零电流关断(ZCS),消除了二次侧整流二极管的电压尖峰振荡和反向恢复损耗,同时将整流二极管电压钳位在输出电压,从而减小了二极管的电压应力。与传统AHB变换器相比,消除了二次侧滤波电感,变换器的重量与体积减小,且输出二极管电压应力不受占空比的影响。最后,通过一个输出功率为72W的48V/12V DC-DC变换器实验电路,验证了理论分析的正确性。

基于LC吸收电路的耦合电感倍压单元高升压增益Boost变换器

提出一种基于LC吸收单元的耦合电感倍压单元高增益Boost变换器。在Boost变换器中引入耦合电感倍压单元,通过调节耦合电感变比,可实现Boost变换器的高升压增益特性。同时,引入LC吸收电路网络,回收了漏感能量,抑制了开关管两端的电压尖峰,从而可通过选取低导通电阻、低电压等级的MOSFET,以降低变换器成本和开关管的导通损耗,提高变换器的效率。提出的变换器消除了耦合电感的二次侧漏感与输出二极管寄生电容带来的二极管电压尖峰振荡问题,从而减小了二极管的电压应力,进一步改善了变换器的效率。此外,采用LC吸收电路的高增益变换器具有输入电流连续、易实现高升压增益特性的优点,适用于新能源发电领域。详细分析了该变换器的工作原理及工作特性,给出了关键参数的设计原则。最后,通过实验结果验证了理论分析的正确性。

不对称控制全桥副边双谐振DC-DC变换器

提出一种全桥副边双谐振(full-bridge secondary-dual-resonance,FB-SDR)DC-DC变换器。变换器无需添加辅助电路即可在全负载范围内实现开关管的零电压开关和副边整流二极管的零电流关断,减小了开通损耗和反向恢复损耗;同时,采用不对称控制策略,消除了传统移相全桥变换器的环流损耗,提高了变换器的效率;有效抑制了整流二极管的电压尖峰和振荡,将整流二极管电压箝位在输出电压,减小了电压应力,进一步提高了变换器的性能。详细研究FB-SDR变换器的工作原理及稳态特性,并对电路关键参数进行设计。最后,通过搭建一台1 kW、400 V/48 V的实验样机,验证理论分析的正确性。

基于 LC 吸收电路的耦合电感高升压增益变换器

提出一种带无源无损LC吸收电路的耦合电感高增益升压变换器,采用电容、电感和二极管组成的无源吸收电路网络,回收了变换器中漏感能量,同时抑制了开关管两端的电压尖峰,从而减小了开关管的电压应力。与传统有源箝位或无源吸收电路相比,具有LC吸收电路的耦合电感Boost变换器的输入电流连续,简化了输入滤波器的设计。同时,该变换器仅有一个开关管,且通过调节耦合电感变比可实现高升压增益特性,在新能源领域具有广泛的应用前景。文中详细分析了该变换器的工作原理及工作特性,最后通过搭建一台100 W、45 V/200 V的实验样机,验证了理论分析的正确性。

基于耦合电感倍压单元的零输入电流纹波高增益非隔离变换器

提出一种基于耦合电感倍压单元的零输入电流纹波非隔离型高增益DC-DC变换器。该变换器由零输入电流纹波Boost变换器和耦合电感单元组成,通过设计耦合电感电压比,实现了高升压增益特性。同时,采用无源无损吸收电路消除了漏感引起的开关管两端电压尖峰,降低了开关管的电压应力。通过增加由电容和二极管组成的倍压单元,进一步减小了开关管的电压应力,同时消除了输出二极管的电压尖峰,降低了二极管电压应力。因此,可通过选取低导通电阻、低电压等级的MOSFET,以降低变换器成本和开关管的导通损耗,提高变换器的效率。此外,还实现了变换器的零输入电流纹波,降低了输入滤波器的设计难度。文中详细分析了该变换器的工作原理及工作特性,给出了关键参数的设计原则。最后,通过实验结果验证了理论分析的正确性。

汽车前桥焊接机器人工作站的设计

介绍了前桥焊接机器人工作站的结构和控制系统设计。该前桥焊接机器人工作站是基于AC伺服技术,集机、电、气为一体的自动化程度较高的焊接装置,可在前桥焊接过程中实现自动夹紧、转位、焊接、翻转、松开夹具等一系列操作工序,实现了国内数控焊接变位机由点位控制到高精度轨迹控制的转变。

化工设备设计中常见接管长度的计算方法

介绍了化工设备设计中接管长度计算方法,推导出计算不同位置接管长度的计算公式,并以VB为平台设计出了计算程序。

废热锅炉管板水槽结构有限元分析及强度评定

根据废热锅炉管板水槽平盖既要满足静力强度要求,又要有利于传热的特点,对管板水槽平盖连接区域进行了三维有限元分析。根据有限元分析结果,按JB 4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》的规定进行了强度评定,为进行详细工程设计提供了依据。

硫磺回收装置之废热锅炉管板结构有限元应力分析

针对废热锅炉拉撑平管板的结构特点,对拉撑平管板与换热管连接部分进行了有限元分析,建立了三维有限元力学分析模型,按照JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》的规定进行了应力强度评定。有限元计算结果表明,所分析结构的强度能够满足设计要求。

硫磺回收装置中的异形废热锅炉设计

介绍了超级克劳斯工艺硫磺回收装置中异形废热锅炉的设计,着重叙述了工作于高温工况下的废热锅炉的管板设计。文中提出的计算方法和采用挠性管板的思路以及所采用的管板的高温防护措施可为同类设备设计参考。

不对称半桥副边谐振PWM变换器

针对不对称半桥(asymmetric half bridge,AHB)变换器占空比变化范围宽而带来输出二极管电压应力高、且存在电压增益曲线呈非线性特性的问题,研究了AHB副边谐振(secondary side resonant,SSR)PWM开关变换器。AHB-SSR-PWM变换器原边采用不对称脉冲宽度调制,实现了开关管的零电压开通(zero voltage switching,ZVS),且原边开关管的电压应力箝位在输入电压;AHB-SSR-PWM变换器副边用带滤波电感的谐振支路代替传统的半波整流支路,实现了输出二极管的零电流关断(zero current switching,ZCS)。此外,AHB-SSR PWM开关变换器的输出端存在滤波电感,减小了输出电压的纹波。分析结果表明,输出二极管的电压应力几乎与占空比无关;电压增益与隔离Buck类变换器类似,呈现线性增益特性。通过一台200 V输入,24V/2A输出的实验模型验证了理论分析的正确性。

废热锅炉管板水槽结构有限元分析及强度评定

根据废热锅炉管板水槽平盖既要满足静力强度要求,又要有利于传热的特点,对管板水槽平盖连接区域进行了三维有限元分析,根据有限元分析结果,按JB 4732—1995《钢制压力容器—分析设计标准》的规定进行了强度评定,为进行详细工程设计提供了依据。

双耦合电感二次型高升压增益DC-DC变换器

提出一种双耦合电感单开关二次型高增益变换器。在传统单开关二次型Boost变换器拓扑的基础上,在前级Boost电路单元引入耦合电感,输出端叠加以提升变换器的升压增益特性;同时,通过在后级Boost电路单元引入耦合电感,进一步减小开关管的电压应力。此外,采用无源无损吸收电路抑制了开关管两端的电压尖峰,从而可选取低导通电阻、低电压等级的MOSFET以降低开关管的导通损耗,提高了变换器的效率。文中详细分析了变换器的工作原理及工作特性,最后通过搭建一台200W、18V/200V的实验样机,验证了理论分析的正确性。

临界连续模式单电感双输出Buck-Boost功率因数校正变换器

针对传统两级结构的多路输出功率因数校正(power factor correction,PFC)变换器成本高、体积大的问题,提出临界连续模式单电感双输出Buck-Boost PFC变换器及其控制策略,分析其工作特性,通过对电感的分时复用控制,实现了两个输出支路的独立控制。相对于传统两级结构的多路输出变换器,减少了电感与控制器的数量,降低了变换器的体积与成本,提高了变换器的效率。实验结果验证了变换器高效率、高功率因数、低总谐波失真及两个输出支路的高输出精度控制特性。

两开关伪连续导电模式Buck-Boost功率因数校正变换器

提出两开关伪连续导电模式(pseudo continuous conduction mode,PCCM)Buck-Boost功率因数校正(power factor correction,PFC)变换器及其控制策略。利用两开关PCCM Buck-Boost PFC变换器电感惯性模态所提供的一个额外控制自由度,可实现单位功率因数控制,并明显改善传统单开关Buck-Boost PFC变换器、两开关连续导电模式(continuous conduction mode,CCM)Buck-Boost PFC变换器和两开关不连续导电模式(discontinuous conduction mode,DCM)Buck-Boost PFC变换器的性能。与两开关DCMBuck-Boost PFC变换器相比,两开关PCCM Buck-Boost PFC变换器减小了电感电流纹波。仿真与实验结果表明,两开关PCCM Buck-Boost PFC变换器的负载动态响应速度明显快于传统的两开关CCM和DCM Buck-Boost PFC变换器。

基于电流观测器的三相逆变电路开路故障在线诊断

为了保障三相逆变电路运行的可靠性,提高逆变电路功率管开路故障后的检修效率,提出一种基于电流观测器的逆变电路功率管开路故障在线诊断方法。首先,在建立三相逆变电路状态空间模型基础上,分析开路故障后其状态空间模型的附加函数,构建三相逆变电路电流观测器。然后,根据三相电流测量值与观测值之间的误差,利用误差周期平均值以尽可能地避免噪声等引起的干扰,随后误差周期平均值经坐标变换后,得到故障矢量角。结合三相电流测量值的绝对值之和,获取其标准化处理后所得到的故障参数,实现了开路故障的实时在线诊断和故障功率管的定位。最后,利用Matlab/Simulink和dSPACE平台进行了仿真和实验验证。

全占空比范围电容串接式交错并联Boost变换器均流策略研究

针对电容串接式交错并联Boost变换器全占空比范围内不均流现象,提出不对称占空比的均流控制策略。基于电容电荷平衡原理,调整中间储能电容充电时间与放电时间的比例,使得电感电流大小随之改变,从而实现两相电感电流均分。从变换器的工作原理入手,阐述全占空比范围不均流现象的机理,详细推导不对称占空比均流控制策略的实现过程,分析该策略下变换器的工作原理和工作特性。该均流策略实现简单,无需额外增加电流传感器,仅需改变其中一相电流的占空比,就能实现变换器在全占空比区域内的电流共享,且保持电路的倍压特性。最后,设计了一台功率为100W的样机,对理论分析进行验证。