三相电压型PWM整流器及其控制策略研究

本文分析了三相电压型PWM整流器在abc、DQ、dq坐标系下的数学模型，开发了基于MATLAB／SIMULINK的三相PWM整流器仿真模块，仿真结果表明基于dq同步旋转坐标系的整流器数学模型是正确的，并具有独特优点。对常用空间电压矢量控制策略进行分析，给出了合成电压矢量的不同方法；分析了固定开关频率的电流预测控制原理。分析了电流环的控制策略，推导出电流环和电压环PI参数与整流器主电路各参数之间的关系。设计了双闭环控制PWM整流器系统的硬件、软件，实现解藕整流器输入电流，并完成了系统仿真，仿真结果表明电压和电流双闭环P1参数选择的合理性以及整个系统的可行性。

高稳定度高压开关电源设计

本文分析了国内外开关电源的发展和现状，研究了高压开关电源的基本原理以及开关电源在电力直流操作电源系统中的应用。根据兰州重离子加速器的要求，设计了一种高稳定度高压开关电源。该系统在借鉴国外和已有的类似电源的基础上，通过采用新的元器件和新的电力电子技术设计而成。该系统以工GBT作为功率开关器件，构成BUCK开关变换器，采用脉宽调制（PWM）技术来控制输出电压的变化。系统中采用TL494、UC3637、ML57962等一系列集成电路，以实现实时采样电压反馈信号、PWM信号以及工GBT所需要的功率驱动信号。电路中采用斩波调压和逆变分开，各司其职的结构，保证了电路可靠、线性的调节；采用前馈电路进行补偿，确保系统能很好的抑制电网的中频扰动。通过MATLAB的计算仿真证明，这些措施都对对系统的性能起到了很好的作用。为了系统的安全可靠，还设计了软启动和过流保护电路。通过实验证明该系统能安全、可靠运行，达到了设计要求。

节能型自治式多功能海洋环境监测系统的静力分析和姿态计算

海洋监测是人类认识海洋、研究海洋的有利工具，海洋自动观测仪器又是海洋监测技术最基本的硬件单元。文章介绍了一种具有自主知识产权的海洋仪器产品——节能型自治式多功能海洋环境监测系统，并对其做了静力分析和姿态计算。 该测量系统将定点锚泊潜标和浮标技术相结合，并创新性的融进了节能技术，使其具有长期、安全和多参数测量的工作特点。 为确保系统能在水下长期可靠地工作，文章对系统在水下的受力状况和姿态进行了计算。由于系统潜标式主浮体在水下几十米，海面波浪对其影响较小，仅对系统在海流的作用下进行水下静力分析。计算中首先根据总体技术要求进行合理的简化和假设，建立水下系统的数学模型，编制系统在水下的受力和姿态计算软件，完成系统的结构配置、受力分析和水下姿态的计算。 值得注意的是，该系统的潜标式主浮体受力分析方法与传统简单构形（一个浮体，一根索和一个锚）的分析方法不同，因为该潜标式主浮体不但受到下端缆绳的拉力，而且还受到连结上端搭载平台缆绳的拉力，同时还要考虑进变化海流对缆绳的作用。 最后，用MATLAB编制了相应程序。该程序操作方便，每次任务确定之后，只需向计算机输入阻尼系数、浮力重力值、浮球直径及潜标长度等参数，程序将自动计算出水下系统在 流速范围内各部件的横倾角、缆绳拉力及拉力与水平线（垂直线）夹角等有关参数，供系统配置做参考。

海洋剖面测量系统形态模拟及仿真研究

海洋监测是人类认识海洋、研究海洋的有利工具，海洋自动观测仪器又是海洋监测技术最基本的硬件单元。文章介绍了一种具有自主知识产权的新型海洋仪器产品¬――波浪驱动式海洋要素垂直剖面测量系统，并对其工作时的动力特性展开系统的数值模拟与仿真。 该测量系统在水中的受力情况可分解为海面和水下两部分进行系统地分析。本文依照流体力学理论，利用频域和时域的分析方法，给出了非线性条件下海面波浪力对运动系统的影响。 水下工作时，系统在三维方向的流的作用下，呈现不同工作姿态，其姿态又对系统的稳定性影响较大。本文对水下受力情况进行里了详尽的数值分析，建立了数学模型，进而做了仿真开发研究，给出了便于应用的直观仿真模型。利用已获取的深、浅海现场实测海流数据，通过仿真，反演出了该海况下测量系统的虚拟就位状态；得出了较为理想工作运动曲线，并分析了可满足系统高效工作的海流与水深关系。 本文通过一系列理论与实践研究，配合计算机软件编程，以Matlab为仿真模型的开发工具，完成了海洋要素垂直剖面测量系统动力响应的数值模拟和仿真工作，为实现系统最终的下海运行做出了科学的预演。

矩特征的实时计算

矩在统计学中用于表征随机量的分布，而在力学中表征物质的空间分布。若把二值图像或灰度图像看作是二维密度分布函数，就可以把矩技术应用于图像分析中。这样，矩就可以用于描述一幅图像的特征。矩作为图像特征，其性能是非常出色的。 不变模式识别问题是非常复杂和困难的。目前，研究主要集中在不变矩之上提出性能更优良的方法或是研究基于矩的跟踪方法。国内没有关于不变矩硬件实现、实时应用的有关报道。 本文综述了矩技术在图像处理、计算机视觉、模式识别等领域内的应用，研究矩技术，包括几何矩、中心矩及不变矩的实时计算。 在Hatamian数字滤波器算法和改进的数字滤波器算法基础上，本文实现了几何矩计算硬件模块、中心矩计算硬件模块。仿真实验证明，该设计占用硬件资源小，计算简单，计算时间能够满足实时系统的应用要求。 本文提出了一种低阶不变矩近似计算的实时算法。给出了算法的流程图及所需硬件模块。在此基础上，利用Matlab进行了算法仿真，结果表明，该近似算法的结果在以其均值为中心的较小范围内波动，说明该算法在一定程度上能够表述作平移、旋转和比例变化的目标特征，可以用于图像目标的识别和分类。

稳像平台控制系统研究

光电稳像平台是机载光电吊舱、舰载光电跟踪仪、弹载成像导引头等武器系统的关键部件之一，它是一个集光、机、电于一体的复杂系统。光电稳像平台的控制问题是制约武器系统总体水平的一项关键技术。目前，国内光电稳像平台的研究水平距先进国家的产品水平差距较大，还有很大的发展空间。本文以理论与实验为基础，对稳像平台中的伺服控制技术进行了探索和研究。 针对国内外稳像平台的研究现状，提出了控制系统的总体方案设计。分析了影响控制系统精度的各方面因素，并提出了相应的改进措施；对于伺服系统，为提高系统的跟踪精度，必须提高伺服系统的无差度。因此，本设计采用基于PID的复合控制提高系统的跟踪精度，并运用MATLAB进行了仿真分析；根据系统的实际工作情况，通过分析指出如何克服摩擦力矩的影响是本系统中提高稳定精度要重点解决的问题。针对这一问题，提出了采用速度环和稳定环的双环控制方法，实现了较高的稳定精度。 本文对稳像平台控制系统还进行了软硬件设计。硬件设计部分重点对以DSP为核心的控制电路、以CPLD为核心的时序控制电路、电机驱动电路等硬件电路的设计进行了详细的论述；软件设计部分重点介绍了系统主程序、各功能模块中断服务子程序、控制程序及时序控制程序的设计与实现。 实验结果证明：本文所进行的理论分析是正确的，所设计的控制系统是合理、有效的，并且系统具有较好的控制精度和跟踪精度。 关键词： 稳像平台；控制系统；PID控制；速度环；位置环

基于模糊补偿的PD反馈计算力矩控制与仿真

为降低模型不确定性和扰动对真空机器人系统轨迹跟踪性能的影响，设计了基于模糊补偿的PD反馈计算力矩控制器.利用MATLAB软件构建了真空机器人的动力学模块与模糊控制器并且做了仿真研究.仿真结果证明了该控制器的有效性。

真空机器人时间最优轨迹规划

在指定路径上的运行时间是衡量真空机器人性能的重要指标，使用时间最优轨迹规划方法能够缩短该运行时间.Frog-leg型结构的真空机器人是同时具有主动与从动关节的并联机构，进行轨迹规划之前必须进行运动学及动力学求解.在此基础上提出Frog-leg型结构的真空机器人时间最优轨迹规划方法，规划出在允许最大速度与加速度范围内的加速度、速度与位置曲线.利用Matlab软件进行了仿真研究.仿真实验结果证明，与梯形轨迹规划方法相比，时间最优轨迹规划方法能够在满足加速度力矩约束的条件下显著缩短真空机器人在指定路径上的运行时间。

服务机器人路径规划技术研究

随着技术的发展和数字产品的价格下降，家用机器人必将成为未来数字家庭的主导。正如家用机器人生产厂商iRobot的CEO科林·安格尔所说：“我认为，完全有理由想像，10年之后每个家庭都将拥有一台机器人。”路径规划技术是移动机器人导航系统中不可缺少的重要组成部分，不仅是移动机器人完成任务的安全保障，同时也是移动机器人智能化程度的重要标志。 本论文以新松公司“家用服务机器人的研究开发”项目为背景，对服务机器人的路径规划系统中的重点和难点问题进行了深入的研究，主要工作如下： 在嵌入式微处理器ARM7上实现了服务机器人的路径规划系统，完成了超声波传感器和红外传感器的采集和标定，并通过仿真研究和实验研究两方面对机器人的路径规划系统进行分析和设计。 在MATLAB GUI的仿真平台上，采用改进斥力势场函数解决了障碍物附近目标点不可达问题，通过引入引导点解决机器人在‘U’型区域内的震荡问题。在实验中，首先采用改进势场函数实现了机器人的折线规划方法，基于此算法，实现了机器人在固定范围内漫游的功能；通过改进折线规划方法，提出了弧形规划算法；通过引入人工协调场，解决了机器人、障碍物与目标点在一条直线上时与长形障碍物的碰撞问题；最后再加上各种安全措施，保证机器人在躲避障碍物的同时，能以一种比较平滑、优美的曲线到达目标点。 本论文首先在仿真中实现基本的规划算法，以服务机器人为平台，通过实验，不断发现新问题，提出新的改进算法，最后再在实验中进行验证。实验结果表明本文设计的路径规划算法能够实现机器人以平滑优美的曲线在复杂环境中的路径规划功能。

基于PSO的球磨机粉磨系统自适应模糊控制

提出了一种基于粒子群算法优化(PSO)的模糊控制器,对模糊控制器参数进行全局优化,以弥补模糊控制器参数在线调节方面的不足,并应用于球磨机粉磨系统的控制中。控制系统采用粒子群优化模糊控制器作为双闭环控制中的成品流量控制器,并在Matlab/Simulink进行的仿真分析中实现模糊控制器参数的在线调节。仿真结果表明,系统较好地实现了给定参考轨迹自适应跟踪,具有鲁棒性强、控制精度高等优点。

工业无线网络化控制系统结构及调度问题研究

无线通信技术在工业网络化控制系统中的应用已成为当今工业领域中的研究热点。然而无线通信技术在恶劣的工业环境中通信质量严重下降，使得现有无线通信技术在工业网络化控制系统中的应用受阻。为此在不断提高和改进无线信号传输性能的同时，更要在控制系统级层面上充分考虑无线通信技术的特点，进行相关系统结构和实时调度机制等方面的改进，以达到使系统产生的通信任务在应用层上得到可靠、实时调度的目的。同时也要从无线网络技术层面上入手，解决上层下达的通信任务在数据链路层中的实时调度问题。要设计适合工业无线网络化控制系统应用特点的MAC协议来有效调度网络所有节点的信息收发，减少高层下达的通信任务在网络中的平均时延，提高吞吐量，进而保证工业无线网络化控制系统的实时性。 因此，本文从工业无线网络化控制系统中的通信任务在数据链路层和应用层上的调度角度出发，以解决、改善工业无线网络化控制系统的实时性和可靠性等性能指标为目的。对工业无线网络化控制系统的结构、应用层调度策略和优化以及数据链路层中的MAC协议进行了系统的研究。主要工作和贡献有以下几点： （1）对工业网络化控制系统的基本问题和引入无线通信技术后产生的问题进行了探讨。在定性分析了工业环境对无线通信的影响及要求的同时，又推导出了无线通信的链路预算模型，并利用Matlab对该预算模型进行了建模，计算出了在工业级噪声指数和工业要求的误码率下，IEEE802.11b和IEEE802.15.4两大主流无线通信技术的链路预算情况及具体的量化数据。 （2）提出了工业无线网络化控制系统的双频二级拓扑结构和多路径传输机制。利用了无线信道特点和路径冗余优势，在系统级上改进了目前无线通信技术在工业网络化控制系统中的应用模式，部分缓解了无线通信技术在工业恶劣环境中的实时性和可靠性问题。为工业无线网络化控制系统结构的设计做了有益的尝试。同时，首次将DS-UWB技术应用于工业网络化控制系统中，设计出了基于该结构的UWB和FF及PROFIBUS的集成方案，为该结构的快速应用提供了有效的途径。 （3）提出了极大容忍无线通信时延的调度算法(GTD)。有效解决了工业无线网络化控制系统中周期性通信任务的实时性问题,部分弥补了因无线网络时延而导致周期性通信任务超时的缺陷。并针对GTD调度算法产生的通信窗口碎片问题进行了优化处理，又提出了面向非周期信息吞吐量最大化的优化调度算法，该算法提高了非周期性通信任务的吞吐量。同时，给出了基于这两种调度算法的非线性规划模型的调度时间表求解方法。 （4）提出了根据通信任务调度时间表进行分配无竞争期的混合CAP和CFP的MAC协议（HAF-MAC）。解决了工业无线网络化控制系统上层下达的周期性通信任务和非周期性通信任务在数据链路层中的实时调度问题，并有效解决了本文提出的应用层调度算法生成的预留时间可能存在浪费的问题。同时，在理论分析了HAF-MAC协议时隙利用率的基础上，提出了基于时隙的HAF-MAC（TSHAF-MAC）协议。TSHAF-MAC协议比HAF-MAC协议提高了时隙利用率，使吞吐量和平均延时得到了进一步改善，进而提高了非周期性通信任务的实时性。最后，对这两个协议进行了仿真建模与验证，进而较系统地解决了工业无线网络化控制系统中的通信任务的实时调度问题。 （5）分别将论文中的第三章和第四章的部分研究成果,在本人博士研究阶段研发的无线智能照明控制系统这一物理实验平台上进行了一定的验证。

基于时间序列数据挖掘的旋转机械预诊断方法研究

基于状态的维护(CBM, Condition Based Maintenance)是近年来新兴的一种设 备维护策略，它的基本理念是在机械设备需要维护的时候才对其进行维护，强调 维护要及时、准确和经济。采用这种维护策略，能够提高工业生产的安全性和可 靠性，系统地降低企业运营成本。 机械设备状态预诊断是实现CBM 的核心支撑技术，对其进行深入研究，对推 动CBM 的发展具有重要意义。但是，由于相关研究起步不久，目前预诊断技术还 未能得到很好的实现，研究人员有必要不断地尝试各种新的有效方法来更好地解 决这一问题，加快其实现方法与技术应用的成熟进程。基于此，本文从数据挖掘 的角度，探索了机械设备预诊断新的解决方法和途径，深入研究和探讨了基于时 间序列数据挖掘的旋转机械预诊断方法。本文的主要工作包括： 1. 结合CBM 的基本理念和应用实际的需求，对机械设备状态预诊断的基本 内涵进行了系统分析。将状态评估、故障预测和剩余有效使用寿命预测三个预诊 断基本功能进一步抽象，提出了包含特征提取、状态预测和模式匹配三个子问题 的预诊断一般流程模式。在详细分析机械设备状态预诊断理论方法和应用技术研 究现状的基础上，提出了预诊断技术研究的发展趋势及各子问题的研究侧重点。 并对利用时间序列数据挖掘这一理论方法解决机械设备状态预诊断问题的可行性 进行了分析。 2. 针对具有波动频繁、噪声干扰严重等特点的原始振动量时间序列无法直接 用于旋转机械性能状态分析的问题，结合全息诊断信息融合分析旋转机械振动全 貌的思想，提出了全息状态矩阵的概念并给出定义，用类时间轴上的多维序列表 征转子系统振动全貌，以实现振动量时间序列的高级表示，为后续预测与匹配分 类工作提供良好的数据源，同时增强全息诊断的信息检索和知识自动获取的能力。 3. 将旋转机械性能状态预测，归结为旋转机械设备维护应用背景下的一维数 值型时间序列预测问题来进行深入研究。针对现有预测方法长期预测能力较弱， 且自动化水平低的不足，提出了用于旋转机械性能状态预测的ARIMA 动态间隔预 测法。该方法以动态间隔获取时间序列样本建模并预测的策略，提高了ARIMA 模 型用于设备状态长期预测的准确性，并且能够实现建模与预测的自动化，满足CBM 系统的实时性要求。 4. 针对全息状态矩阵表示的旋转机械性能状态特征数据，提出了一种全息状 态矩阵相似性匹配方法。结合旋转机械预诊断领域应用的特点定义了全息状态矩 阵的相似性度量模型，基于全息状态矩阵近似距离三角不等式设计了剪枝搜索策 略，并在此基础上设计了全息状态矩阵相似性高效准确匹配算法，不需要借助专家经验和人工识别确认，在一定阈值范围内能够实现高质量的旋转机械性能状态 相似性匹配。 5. 旋转机械基本振动量特征时间序列具有海量、超高维度、短期波动频繁和 大量噪声等特征，与时间序列数据挖掘传统应用的金融商业领域数据不同，直接 采用传统方法会存在搜索速度大幅度降低的问题。针对这一问题，提出了基于随 机投影的时间序列相似性搜索方法。该方法利用近年来新兴的随机投影统计学降 维法，将原始时间序列集映射到低维空间，并利用R*树进行索引，能够在保持高 准确率的同时，实现旋转机械基本振动量特征时间序列相似性快速搜索。 6. 针对现有机械设备性能状态分类方法不考虑误分类代价的问题，提出了一 种代价敏感直推式旋转机械设备性能状态分类法。该方法将代价敏感分类和直推 式学习的基本思想和理论相结合，采用一种代价敏感的直推式分类机制，实现了 机械设备性能状态的代价敏感分类。该方法在保证较高分类准确率的基础上，明 显地降低了误分类总代价。 7. 基于CBM 的基本理念，设计了旋转机械CBM 系统的基本结构，并以本 文理论方法的研究成果为核心，详细设计了各模块的基本功能和处理逻辑，采用 VC#.net 与Matlab 混合编程的方式开发了一个面向大型旋转机械的CBM 系统原 型，以验证本文机械设备预诊断方法研究成果的可操作性和实用性，为CBM 系统 应用技术研究做出了有益的探索。

基于视觉里程计的机器人自主定位导航

设计了一种基于双目立体视觉的视觉里程计来实现移动机器人在非结构化环境下的自主定位导航.对图像序列中提取的环境特征进行跟踪和匹配获得特征序列，根据三维重建的不确定性，利用最小二乘法和极大似然法对移动机器人进行定位和运动估计.在MATLAB环境下的仿真实验结果表明，视觉里程计可精确估计机器人位置和运动状态，对运动过程中的测量误差进行补偿，减小了机器人在非结构化环境下长距离导航的定位和运动状态估计累积误差，验证了这种视觉自主定位导航控制方法的可行性和有效性。

X射线在介质中的剂量分布计算

研究了放射治疗中X射线在介质中的输运过程,编程实现了基于蒙特卡罗方法的剂量计算．并在便于图形处理的软件Matlab中对光子输运结果进行了可视化处理．对X射线在均匀介质和菲均匀介质中的蒙特卡罗模拟结果与实测结果、其他蒙特卡罗软件模拟结果进行了比较,结果符合较好．实验结果表明该方法既可以获得很快的仿真速度,又能得到精确直观的剂量计算结果,为提高放射治疗水平具有重要的指导意义和应用价值．

基于约束的4自由度并联机床的可达工作空间分析

针对一种新型的4-DOF并联机构的结构特点,采用基于逆解计算的网格法对其工作空间求解的算法进行了详细的分析,并利用Matlab编制了相应的程序,以Matlab图的形式描绘了几种情况下的工作空间区域,并对此进行了分析。