多電機冗余系統(tǒng)整體建模及容錯控制策略的研究

本項目的研究對象為包含多通道多余度起動/發(fā)電機、功率變換單元、集成電作動器的多電機系統(tǒng)。首先對多電機系統(tǒng)包含的電機進行設(shè)計和電磁分析，針對永磁雙凸極發(fā)電機進行優(yōu)化設(shè)計，分析了電機內(nèi)部的空間磁場分布特點靜態(tài)特性參數(shù)，針對雙余度永磁同步電動機對樣機的磁場分布和氣隙磁密進行了仿真分析，并計算了電機的磁鏈與電感特性；進而建立了永磁雙凸極電機考慮相間、通道間互感的非線性數(shù)學(xué)模型，建立了基于坐標變換理論考慮互感耦合的雙余度永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型，依據(jù)數(shù)學(xué)模型建立具有余度切換功能的仿真模型，對不同工況進行了仿真分析，并對開關(guān)磁阻電機和永磁雙凸極電機的容錯性能進行了對比，為系統(tǒng)容錯運行策略的選擇提供依據(jù)；提出了一種電容儲能型功率變換電路，使用新型的控制策略用于驅(qū)動永磁雙凸極電機，可以在一個很寬的速度范圍內(nèi)使發(fā)電系統(tǒng)具有更高的發(fā)電能力；采用一種冗余結(jié)構(gòu)的DC-DC變換拓撲，可以實現(xiàn)270VDC到28VDC的變換，通過對可能出現(xiàn)的各種典型故障下的工作性能進行分析，證實可以實現(xiàn)容錯變換的要求；基于磁網(wǎng)絡(luò)理論利用磁路分割法從磁路分析的角度建立雙余度永磁同步電機的等效磁路模型，考慮電機定轉(zhuǎn)子齒部、軛部磁路和材料非線性磁飽和的影響，不僅可以計算每相繞組的自感特性，而且還可以計算各相之間的互感特性，大大提高了模型的實用性；以張量電網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，并結(jié)合雙余度永磁同步電機的等效磁路模型，提出了雙余度永磁同步電機及電力電子驅(qū)動電路的張量法仿真，此方法側(cè)重對雙余度永磁同步電機總體性能的模擬，比較適合對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的快速分析，簡化了計算過程，縮短了仿真時間；在傳統(tǒng)控制策略的基礎(chǔ)上，提出了雙余度永磁同步電機的雙余度運行控制策略，構(gòu)架了雙余度機電作動系統(tǒng)并完整地對其進行了工作模態(tài)分析，提出了工作模態(tài)與故障模態(tài)之間的轉(zhuǎn)換機制，并在不同的工作模態(tài)進行了控制率設(shè)計和模態(tài)之間的控制率重構(gòu)，并通過仿真驗證了方法的有效性；建立多電機系統(tǒng)的實驗平臺和半實物仿真平臺，包括dSPACE仿真器、RT_LAB仿真器、兩套起動發(fā)電機，兩套功率變換電路，兩套電作動器，對系統(tǒng)各組件的正常工作狀態(tài)、故障狀態(tài)進行實驗研究，并對容錯控制策略進行實驗驗證，為進一步研究多電航空電氣系統(tǒng)提供了理論和實踐基礎(chǔ)。

提出一種含有多通道多余度起動／發(fā)電機、功率變換單元、集成電作動器的多電機系統(tǒng)。從系統(tǒng)的層面研究多通道發(fā)電系統(tǒng)冗余供電、多余度功率變換器和逆變器智能配電及多通道集成電作動器冗余用電中的關(guān)鍵技術(shù)問題。建立該多電機系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建系統(tǒng)半實物仿真平臺，研究各種工作模式和運行狀態(tài)下的系統(tǒng)特性和控制策略，并確定實際系統(tǒng)控制所需要的各種參量；建立多電機系統(tǒng)場路耦合的故障分析模型，研究系統(tǒng)中各種典型故障狀態(tài)，獲得多電機系統(tǒng)的各種故障特性，為系統(tǒng)容錯運行策略的選擇提供依據(jù)；研究多電機系統(tǒng)故障檢測、故障隔離和系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)，解決多余度發(fā)電故障狀態(tài)下的電流均衡和多余度用電故障狀態(tài)下的負載均衡問題；提出多電機系統(tǒng)的冗余管理及容錯運行綜合控制策略；搭建多電機系統(tǒng)實驗臺，對多電機系統(tǒng)的冗余運行、各類故障狀態(tài)、系統(tǒng)負載變化等進行試驗研究，以驗證理論研究的正確性和有效性，為進一步研究多電航空電氣系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

四輪獨立驅(qū)動電動汽車(4WID-EV) 中的冗余執(zhí)行器系統(tǒng)，可用來優(yōu)化整車動態(tài)特性，提高4WID系統(tǒng)帶故障運行能力，從而提高4WID-EV的操控性、穩(wěn)定性、可靠性。本項目從電機及其驅(qū)動系統(tǒng)，整車4WID容錯協(xié)調(diào)控制入手，以提高4WID電動汽車的可靠運行，尤其是驅(qū)動電機故障下的整車運行的可靠性。 本項目延續(xù)國家自然基金（51077066）的研究，對新型容錯電機優(yōu)化設(shè)計進行持續(xù)、深入研究，又提出了三種新型永磁容錯電機，并總結(jié)了此類電機的優(yōu)化設(shè)計準則，提高新能源車輛驅(qū)動電機的可靠性。針對新型五相永磁容錯電機搭建了驅(qū)動控制系統(tǒng)，展開了多相電機的直接轉(zhuǎn)矩控制、容錯控制方法研究，提出了多種SVPWM控制方式，提高此類電機的控制性能，以滿足電動汽車驅(qū)動所需。針對4WID電動汽車整車狀態(tài)的集成觀測、4WID驅(qū)動系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行的可靠性展開研究；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合逆理論與方法，結(jié)合其它狀態(tài)觀測理論與方法，實現(xiàn)對車輛運動狀態(tài)中不直接可測量觀測的同時，抑制整車橫擺運動與側(cè)向運動之間的耦合關(guān)系，改善整車控制性能。并針對4WID電動汽車冗余驅(qū)動的特點，從控制分配層中考慮驅(qū)動電機、輪胎與路面附著系數(shù)以及驅(qū)動電機故障等約束條件，建立優(yōu)化準則，提高4WID的帶故障運行能力，提高整車運行的可靠性。搭建輪轂電機驅(qū)動的分布式4WID電動汽車實驗平臺，以dSPACE實時仿真系統(tǒng)構(gòu)建快速控制原型，對整車狀態(tài)觀測及容錯控制進行實驗驗證。 項目執(zhí)行期內(nèi)，完成的相關(guān)成果受到國內(nèi)外專家的認可。獲國家科學(xué)技術(shù)發(fā)明二等獎一項，發(fā)表SCI論文22篇，EI論文15篇，獲授權(quán)發(fā)明專利8項。 2100433B

本書系統(tǒng)地介紹了控制系統(tǒng)的故障診斷和容錯控制的理論及應(yīng)用。全書共7章，主要內(nèi)容包括控制系統(tǒng)故障的模型化、可檢測性，故障的統(tǒng)計檢測原理，基于數(shù)學(xué)模型和人工智能的故障診斷，系統(tǒng)重構(gòu)，完整性控制器設(shè)計，基于自適應(yīng)控制的容錯控制器設(shè)計，基于人工智能的容錯控制器設(shè)計和容錯控制系統(tǒng)的性能評定與分析。

此外，還給出了大量的應(yīng)用實例，并將應(yīng)用技巧融匯其中，所涉及的領(lǐng)域有航空、航天和工業(yè)生產(chǎn)過程等。全書各部分內(nèi)容相互滲透，有機結(jié)合，有助于讀者正確認識故障診斷和容錯控制技術(shù)的本質(zhì)。

本書可供從事自動控制系統(tǒng)設(shè)計和研究的科技人員使用。也可供高等院校有關(guān)專業(yè)的師生參考。

四輪獨立驅(qū)動（4WID）已成為電動汽車發(fā)展的重要方向之一，其驅(qū)動系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制及可靠性問題制約其走向?qū)嵱?。本項目旨在提?WID電動汽車的帶故障運行能力，融合容錯電機、多電機協(xié)調(diào)與車輛主動安全控制，藉此實現(xiàn)多電機系統(tǒng)故障條件下的協(xié)調(diào)運行。建立面向轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制的電機-輪胎-車輛聯(lián)合數(shù)學(xué)模型；研究基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)左逆軟測量的車輛狀態(tài)集成觀測方法；剖析車輛橫向、縱向之間的動力學(xué)耦合特性，提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合逆的多電機協(xié)調(diào)容錯控制理論；建立系統(tǒng)故障診斷與最小損耗的容錯控制策略；搭建多電機驅(qū)動整車模擬實驗系統(tǒng)；提煉基礎(chǔ)科學(xué)問題，探索故障條件下多電機協(xié)調(diào)容錯控制的一般性規(guī)律。項目屬控制工程與汽車工程交叉學(xué)科的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，為我國研制開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高可靠性電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)奠定理論與實驗基礎(chǔ)，還可以推廣到其它對系統(tǒng)連續(xù)運行有較高要求的多電機驅(qū)動領(lǐng)域。