多电机冗余系统整体建模及容错控制策略的研究

本项目的研究对象为包含多通道多余度起动/发电机、功率变换单元、集成电作动器的多电机系统。首先对多电机系统包含的电机进行设计和电磁分析，针对永磁双凸极发电机进行优化设计，分析了电机内部的空间磁场分布特点静态特性参数，针对双余度永磁同步电动机对样机的磁场分布和气隙磁密进行了仿真分析，并计算了电机的磁链与电感特性；进而建立了永磁双凸极电机考虑相间、通道间互感的非线性数学模型，建立了基于坐标变换理论考虑互感耦合的双余度永磁同步电机的数学模型，依据数学模型建立具有余度切换功能的仿真模型，对不同工况进行了仿真分析，并对开关磁阻电机和永磁双凸极电机的容错性能进行了对比，为系统容错运行策略的选择提供依据；提出了一种电容储能型功率变换电路，使用新型的控制策略用于驱动永磁双凸极电机，可以在一个很宽的速度范围内使发电系统具有更高的发电能力；采用一种冗余结构的DC-DC变换拓扑，可以实现270VDC到28VDC的变换，通过对可能出现的各种典型故障下的工作性能进行分析，证实可以实现容错变换的要求；基于磁网络理论利用磁路分割法从磁路分析的角度建立双余度永磁同步电机的等效磁路模型，考虑电机定转子齿部、轭部磁路和材料非线性磁饱和的影响，不仅可以计算每相绕组的自感特性，而且还可以计算各相之间的互感特性，大大提高了模型的实用性；以张量电网络理论为基础，并结合双余度永磁同步电机的等效磁路模型，提出了双余度永磁同步电机及电力电子驱动电路的张量法仿真，此方法侧重对双余度永磁同步电机总体性能的模拟，比较适合对控制系统动态性能的快速分析，简化了计算过程，缩短了仿真时间；在传统控制策略的基础上，提出了双余度永磁同步电机的双余度运行控制策略，构架了双余度机电作动系统并完整地对其进行了工作模态分析，提出了工作模态与故障模态之间的转换机制，并在不同的工作模态进行了控制率设计和模态之间的控制率重构，并通过仿真验证了方法的有效性；建立多电机系统的实验平台和半实物仿真平台，包括dSPACE仿真器、RT_LAB仿真器、两套起动发电机，两套功率变换电路，两套电作动器，对系统各组件的正常工作状态、故障状态进行实验研究，并对容错控制策略进行实验验证，为进一步研究多电航空电气系统提供了理论和实践基础。

提出一种含有多通道多余度起动／发电机、功率变换单元、集成电作动器的多电机系统。从系统的层面研究多通道发电系统冗余供电、多余度功率变换器和逆变器智能配电及多通道集成电作动器冗余用电中的关键技术问题。建立该多电机系统的数学模型，构建系统半实物仿真平台，研究各种工作模式和运行状态下的系统特性和控制策略，并确定实际系统控制所需要的各种参量；建立多电机系统场路耦合的故障分析模型，研究系统中各种典型故障状态，获得多电机系统的各种故障特性，为系统容错运行策略的选择提供依据；研究多电机系统故障检测、故障隔离和系统重构技术，解决多余度发电故障状态下的电流均衡和多余度用电故障状态下的负载均衡问题；提出多电机系统的冗余管理及容错运行综合控制策略；搭建多电机系统实验台，对多电机系统的冗余运行、各类故障状态、系统负载变化等进行试验研究，以验证理论研究的正确性和有效性，为进一步研究多电航空电气系统奠定基础。

四轮独立驱动电动汽车(4WID-EV) 中的冗余执行器系统，可用来优化整车动态特性，提高4WID系统带故障运行能力，从而提高4WID-EV的操控性、稳定性、可靠性。本项目从电机及其驱动系统，整车4WID容错协调控制入手，以提高4WID电动汽车的可靠运行，尤其是驱动电机故障下的整车运行的可靠性。 本项目延续国家自然基金（51077066）的研究，对新型容错电机优化设计进行持续、深入研究，又提出了三种新型永磁容错电机，并总结了此类电机的优化设计准则，提高新能源车辆驱动电机的可靠性。针对新型五相永磁容错电机搭建了驱动控制系统，展开了多相电机的直接转矩控制、容错控制方法研究，提出了多种SVPWM控制方式，提高此类电机的控制性能，以满足电动汽车驱动所需。针对4WID电动汽车整车状态的集成观测、4WID驱动系统的协调运行的可靠性展开研究；采用神经网络联合逆理论与方法，结合其它状态观测理论与方法，实现对车辆运动状态中不直接可测量观测的同时，抑制整车横摆运动与侧向运动之间的耦合关系，改善整车控制性能。并针对4WID电动汽车冗余驱动的特点，从控制分配层中考虑驱动电机、轮胎与路面附着系数以及驱动电机故障等约束条件，建立优化准则，提高4WID的带故障运行能力，提高整车运行的可靠性。搭建轮毂电机驱动的分布式4WID电动汽车实验平台，以dSPACE实时仿真系统构建快速控制原型，对整车状态观测及容错控制进行实验验证。 项目执行期内，完成的相关成果受到国内外专家的认可。获国家科学技术发明二等奖一项，发表SCI论文22篇，EI论文15篇，获授权发明专利8项。 2100433B

本书系统地介绍了控制系统的故障诊断和容错控制的理论及应用。全书共7章，主要内容包括控制系统故障的模型化、可检测性，故障的统计检测原理，基于数学模型和人工智能的故障诊断，系统重构，完整性控制器设计，基于自适应控制的容错控制器设计，基于人工智能的容错控制器设计和容错控制系统的性能评定与分析。

此外，还给出了大量的应用实例，并将应用技巧融汇其中，所涉及的领域有航空、航天和工业生产过程等。全书各部分内容相互渗透，有机结合，有助于读者正确认识故障诊断和容错控制技术的本质。

本书可供从事自动控制系统设计和研究的科技人员使用。也可供高等院校有关专业的师生参考。

四轮独立驱动（4WID）已成为电动汽车发展的重要方向之一，其驱动系统的协调控制及可靠性问题制约其走向实用。本项目旨在提高4WID电动汽车的带故障运行能力，融合容错电机、多电机协调与车辆主动安全控制，藉此实现多电机系统故障条件下的协调运行。建立面向转矩协调控制的电机-轮胎-车辆联合数学模型；研究基于神经网络左逆软测量的车辆状态集成观测方法；剖析车辆横向、纵向之间的动力学耦合特性，提出神经网络联合逆的多电机协调容错控制理论；建立系统故障诊断与最小损耗的容错控制策略；搭建多电机驱动整车模拟实验系统；提炼基础科学问题，探索故障条件下多电机协调容错控制的一般性规律。项目属控制工程与汽车工程交叉学科的应用基础研究，为我国研制开发具有自主知识产权的高可靠性电动汽车驱动系统奠定理论与实验基础，还可以推广到其它对系统连续运行有较高要求的多电机驱动领域。