清华大学贾要勤博士：智能化有源飞轮控制的理论研究(2004年获得二等资助).doc

投送一级学科：动力工程与工程热物理二级学科：动力机械及工程原件 复印件 中国博士后科学基金资助金申请表申请人姓名贾要勤编号22103设站单位清华大学流动站名称(一级学科)动力工程及工程热物理进站日期 2003 年 04月14 日通讯地址清华大学汽车工程系邮政编码100084电话(010)627857062004年9 月1日填表申 请 须 知1. 申请者必须认真阅读现时执行的中国博士后基金资助条例，并按该条例有关规定进行申请。2. 申请者打字填写（如不具备打字条件时，请用钢笔或圆珠笔正楷书写，不要用铅笔填写）本表1至6页，并由两位推荐人在7和8页分别填写推荐意见，报所在设站单位（含经批准招收博士后的非设站单位，下同）。经设站单位在9页填写审核意见后再用B5复印纸进行复制。3. 每位申请者需向中国博士后科学基金会交纳评审资料费100元人民币，未交纳者，不予受理。4. 各设站单位于每年三月十日至三月三十一日或九月十日至九月三十日期间将本单位所有申请者的申请表（一式七份，必含原件）和评审资料费集中汇至中国博士后科学基金会。5. 本表封面上的“原件”和“复印件”系指本份材料是原件或复印件，请在相应的方框内打“”；“编号”系指申请进站时，全国博士后管委会办公室或有关省、市对博士后研究人员的统一编号；“投送学科”系指申请资助项目所属的学科领域。若是交叉学科或跨学科，则应填写所涉及的主要学科名称。学科须按国务院学位委员会公布的标准名称填写。6. 填表必须实事求是，认真翔实，不得虚报或留空。有的栏目如无内容可填，请写上“无”、“未”等字；5若填写不下，可另附纸。16姓 名贾要勤性 别男出生年月1970.2民 族汉 博士后日常经 费来源 国家资助 单位自筹 企业提供（企业博士后） 来自重大科研项目经费（项目博士后） 学 位获得年月攻读学位单位学位论文题目导 师学学士1992.7北京航空航天大学动静压混合轴承的设计计算郑勇勋位情硕士1998.6西安交通大学粗糙集理论及其在故障诊断中的应用徐光华况博士2003.4西安交通大学风力发电系统的Hinfinity鲁棒控制曹秉刚起止年月单 位研 究 工 作职 务主1992.3-1992.7北航机电工程系动静压混合轴承的压力场模拟计算本科生要研1992.7-1995.7兰州飞控仪器总厂直升机增稳系统的研制助理工程师究工1995.7-1998.7西安交大机械系机械故障诊断与控制硕士生作经2000.6-2002.6日本东京工业大学电力电子及其控制研修生历2000.6-2002.6日本Myway技研公司小规模分布式新能源发电系统研究飞轮储能充放电控制的研究研究员2000.6-2003.1西安交大机械电子工程系风力发电系统的Hinfinity鲁棒控制博士生主要研究成果：已发表在国内外核心学术刊物上的论文题目、全部作者署名顺序、发表时间、刊登论文的刊物名称以及被SCI、EI、ISR、SSCI收录、引用的情况；获得专利的名称、内容和号码；有何发明创造、技术革新、工艺设计和过程等。请务必具体说明以上成果的科学价值、应用前景、经济效益、社会效益以及本人在这些成果中的主要贡献及所获得奖励的名称、等级和获奖人的排名顺序。一. 1999年以来，申请人在国内外核心刊物和学术会议上共发表和撰写了论文十余篇，均为第一作者。其中5篇为EI收录源刊，EI收录3篇。在飞轮的相关研究中发表论文1篇1. 贾要勤，常柄国. 采用神经网络数据融合改善传感器的静态特性. 西安交通大学学报，1999, 33(11): 7578 (EI收录).2. Jia Yaoqin, Yang Zhongqing, Cao Binggang. A new maximum power point tracking control scheme for wind generation. Proceedings of International Conference on Power System Technology. October 13-17. Kunming, China. 2002: 114119.3. 贾要勤，徐光华，孙瑞祥，梁霖. 粗糙集属性约简的基因算法. 中国机械工程，2000, 11(7): 797800.4. 賈要勤，楊仲慶，曹秉剛. 風力発電実験教育用模擬風車開発.平成14年電気学会産業応用部門大会，8月21日(水)23日(金), 鹿児島市, 日本，2002: 337340.5. Xu Gaunghua, Jia Yaoqin, Qu Liangsheng. The nonlinear characteristic curve calibration method of the coat thickness-measuring instrument using neural networks. Proceedings of International Conference on Advanced Manufacturing Technology99，1999: 10151019.6. 贾要勤，曹秉刚. 基于DSP微处理器的飞轮充放电控制系统研究. 电力电子技术，2004, 38(3): 58607. 贾要勤，曹秉刚，杨仲庆. 风力机模拟平台的MPPT快速响应控制方法. 太阳能学报，2004, 25(3): 364368(EI收录源刊)8. 贾要勤，曹秉刚，杨仲庆. 风力发电的MPPT快速响应控制方法. 太阳能学报，2004, 25(2): 171176(EI收录). 9. 贾要勤，曹秉刚，杨仲庆. 风力发电系统的H鲁棒控制. 太阳能学报，2004, 25(1): 8591(EI收录).10. 程夕明，贾要勤，欧阳明高. 辅助功率单元（APU）技术系统. 汽车工程（增刊）. 2003: 18.正式录用待发表的文章：11. 贾要勤. 风力发电实验用模拟风力机的研究. 太阳能学报(EI收录源刊)12. 贾要勤. 基于微处理器的锂电池高精度充放电控制研究, 电力电子技术.13. 贾要勤,杨仲庆,曹秉刚. 基于直流总线的小规模分布式可再生能源发电系统实验平台的研究, 电力电子技术合作翻译日文专著一本：汽车节能与环保技术西安交通大学出版社二. 与课题有关的研究成果2000年至2002年在日本Myway技研株式会社工作期间，完成了飞轮储能充放电控制系统的研发。飞轮通过感应电机（IM）来驱动，电机通过逆变器驱动来完成飞轮转动动能和直流电力之间的转换，即如图1所示。本项目在研发中主要解决了飞轮的瞬停再启动，直流侧充放电的快速响应（达到100ms）等问题。该研究成果主要应用于UPS不间断电源、电动车等方面，用来替换成本较高、体积笨重、使用寿命短和污染环境的电池装置。 图1 飞轮储能装置及其控制系统三. 参与完成科研项目1. 19921995，国家重点工程，某直升机飞行增稳系统的研制，第5完成人2. 19951998，回转机械故障诊断软件的研制，第3完成人3. 20002002，日本新能源产业技术开发机构（NEDO）小规模新能源分布式发电系统的研究，第1完成人4. 20002002，高精度锂离子电池充放电装置的研发，第1完成人5. 20012002，飞轮储能“充放电”控制的研究申请资助项目情况名中文智能化有源飞轮控制的理论研究称英文Theoretical Study on Intelligent Active Flywheel Control研究类别 基础研究 应用基础 技术开发 国家重点项目 省市或部门重大项目 自选项目项目来源 863高技术研究项目 国家自然科学基金项目 其它项目 研究经费来 源 及数 额除5000元日常经费外，目前尚无其他专门经费资助。项目的具体内容、预期目标及国内外在这方面研究的现状：一、研究内容众所周知，飞轮的用途十分广泛，尤其在发动机曲轴的输出端，用来平滑曲轴的转速波动，但传统的飞轮都是靠增加其转动惯量来增加其惯性阻尼效果的，这样飞轮不免就要做得体积和质量较大，比较笨重，而且这样的飞轮只有单一的惯性阻尼功能，具有停车时间较长、时间常数固定、对其动平衡精度要求高等缺点。本项目所要研究的智能化有源飞轮和图1所示的飞轮储能装置有所不同，它是由直流电源（一般由蓄电池来供电）、逆变器和电机三部分构成的，即如图2所示，通过对逆变器的控制来完成传动轴上机械能和蓄电池电能的转换。和图1所示的飞轮储能装置不同的是，有源飞轮的储能装置是蓄电池，而不是飞轮，它是通过对位于传动轴上电机的控制，来达到传统飞轮对转速的惯性阻尼效应，因此它不是真正意义上的飞轮，但是却具有比传统飞轮更多的优点，如：（1）可以将传动轴上的机械能转化为蓄电池的电能；（2）反之，可以将电池的电能转化为传动轴上的机械能；(3)可以通过对电机的控制，来抑制传动轴上的转速波动。因此有源飞轮和传统飞轮相比，其功能更加全面，性能也更加优越。图2 智能化有源飞轮及其控制系统随着电力电子技术、微电子技术、控制理论和高性能电机技术的发展，实现图2所示的硬件回路已经没有什么困难，问题在于通过什么样的控制手段来抑制传动轴上的转速波动，减少发动机的振动。因此本项目的主要研究内容有以下两点：（1） 传动轴上转速波动的观测方法；（2） 抑制转速波动的控制方法。二、预期目标以发动机为应用背景，通过对图2所示系统结构的仿真模型的建立，主要从理论上来研究智能化有源飞轮的控制方法，预期主要达到以下目标：（1） 提出发动机曲轴转速波动的实时观测方法；（2） 提出对发动机曲轴转速波动平滑的有效控制方案；（3） 在实验室现有的条件下，对以上方法进行实验验证；（4） 预计在国内外重要学术期刊上发表12篇学术论文。三、国内外研究现状经过认真查阅文献资料，有关有源飞轮方面的资料较少，类似的文献资料较多，但国内还没有见到有关这方面的文献资料和报道。比较类似的研究是在内燃机混合动力汽车方面，如图3所示，将原来发动机曲轴输出端的飞轮用盘式电机来替换，盘式电机装置包括电机及其驱动器两部分，如图4所示。图3 替换飞轮的盘式电机装置 图4 盘式电机及其驱动器这方面的研究主要集中在盘式电机对发动机启动性能和发动机正常工作状态下的发电性能的研究16，例如如何增加电机的启动转矩，如何增加电机恒功率运行的转速范围，如何提高电机的发电效率等等，而且在这方面已经取得了显著的成就，电机的瞬时启动转矩可以很大，电机恒功率运行的速比可以达到6，电机的发电效率大于80。用盘式电机替换原来的飞轮后，盘式电机也应该具有传统飞轮平滑曲轴转速波动的功能，而且这种功能是可以通过对电机的实时控制来完成的。目前有关这方面的文献资料较少，研究的人也不多，这方面的研究主要是通过安装在发动机曲轴输出端的电机对发动机实施主动控制减振78,研究的重点和难点主要集中在两个方面，即对发动机曲轴转速波动的实时观测和控制，目前在这方面还没有十分有效的方法。参考文献：1 Cheng Tsung Liu, T.-S. Chiang, J.F.Diaz Zamora, S.-C. Lin. Field Oriented control evaluations of a single sided permanent magnet axial flux motor for an electric vehicle. IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS. 2003,39(5):328032822 P.R.Upadhyay, K.R.Rajagopal, B.P.Singh. Computer aided design of an axial field permanent magnet brushless dc motor for an electric vehicle. Journal of Applied Physics. 2003,93(10):868986913 Ronghai Qu, Thomas A. Lipo. Dual rotor, radial flux, toroidally wound, permanent magnet machines. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS. 2003,39(6):166516734 F.Caricchi, F.Crescimbini, F.Giulii Capponi, L.Solero. Permanent-magnet, direct-drive, starter/alternator machine with weakened flux linkage for constant-power operation over extremely wide speed range. Conference Record - IAS Annual Meeting (IEEE Industry Applications Society)，2001(3)：162616335 J.S.Lawler, J.M.Bailey, J.W.McKeever, Joao Pinto. Limitations of the conventional phase advanced method for constant power operation of the brushless DC Motor. Proceedings IEEE SoutheastCon 2002: 1741806 J.S. Lawler, J.M.Bailey, John W. McKeever. Theoretical verification of the brushless DC motor driven by dual mode inverter control. Power Electronics in Transportation, 2002: 75827 A.T.Zaremba, R.I.Davis. Control design for active engine damping using a starter alternator. Proceeding of the American Control Conference. 2000: 204320478 Roy I. Davis, Robert D. Lorenz. Engine torque ripple cancellation with an integrated starter alternator in a hybrid electric vehicle: implementation and control., IEEE Transactions on Industry Applications.2003, 39(6):17651774项目的科学意义、学术价值、应用前景、解决什么前人尚未解决的问题并务必说明本人的创新之处及主要特色：一、科学意义、学术价值飞轮这一常用而且古老的装置，一直以来在许多机器中扮演着不可取代的角色，但随着科学技术的发展，尤其是在电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，它将被功能更加全面，性能更加优良的有源飞轮所取代，以克服其笨重、功能单一的缺点，因此在产品的升级换代中具有重要的作用。在有源飞轮的结构中，当然要采用许多先进的技术，尤其是现代电力电子主回路技术、高性能的数字控制技术和效率高、功率密度大的电机。而有源飞轮的惯性阻尼效果完全靠对电机的控制来实现，从理论上来讲，它不同于传统飞轮的一阶惯性特性，完全可以实现对传动系统特定频率段的阻尼效果，如低通、带通、高通阻尼器的实现等。如何实现对传动系统中各种转速波动的实时观测，在控制理论方面具有重要的科学意义和学术价值。对被控量实时观测方法的研究，历来都是控制理论中重要的研究内容之一，而传动系统中的各种振动信号，其隐蔽性更大，实现实时观测的难度很大。在实现振动信号实时观测的基础上，如何采取有效的控制策略，来消除振动，也具有一定的难度，因为这些被控量的频率有可能较高，不可能采用简单的PI控制来实现，在研究有源飞轮的频率响应特性的普遍设计理论方面，具有较高的科学意义和学术价值。二、应用前景 有源飞轮是采用现代控制理论与技术对传统的飞轮装置进行彻底的改造，其不但具有传统飞轮的特性，而且和传统飞轮相比，其功能更全面，性能更优越，尤其在车辆的环保与节能方面，具有广阔的应用前景，在汽车发动机曲轴的输出端采用有源飞轮替换传统的飞轮，可以将原来的起动机、发电机和飞轮三个部件一体化，使其结构紧凑，而且还可以实现车辆的混合动力驱动、制动能量回馈等功能，提高车辆的节能和环保性能。三、创新及主要特色本项目的创新和主要特色为通过对盘式电机的控制来实现对传动系统振动的阻尼效果，具体有以下三点：1 提出传动系统振动的实时观测方法；2 研究提出有源飞轮频率响应特性的普遍设计方法；3 研究有源飞轮在发动机主动控制减振方面的应用。拟采用的研究方法、实验方案、技术路线：首先采用Matlab/Simulink仿真软件建立发动机、有源飞轮的数学模型，通过仿真计算研究以下内容：（1） 发动机曲轴转速波动的实时观测方法；（2） 有源飞轮频率响应特性的设计方法；（3） 研究其在发动机主动控制减振方面的应用。在实验室现有条件的基础上，自行设计和加工1kW的有源飞轮盘式电机及其驱动器，并采用DSP数字控制实现有源飞轮的控制算法，在实验室现有的发动机试验台架上验证有源飞轮对发动机主动控制减振的有效性。最后对以上的控制方法、仿真和实验数据进行总结，并进行理论和实验分析，完成论文12篇。研究工作的总体计划及目前进展情况：2004年10月2004年11月： 采用Matlab/Simulink建立发动机和有源飞轮的数学模型2004年11月2004年12月：发动机曲轴转速波动的实时观测方法和有源飞轮控制方法的仿真研究2004年12月2005年1月： 有源飞轮盘式电机及其驱动器的加工2005年1月2005年2月：控制程序的调试和发动机台架实验2005年2月2005年3月：试验结果的整理，预计完成12篇学术论文投寄给重要学术期刊目前对国内外研究现状的调研、分析和研究方案等工作已基本完成。现有条件（参加该项目工作的科研人员简况、仪器设备、实验材料、图书资料等）与尚缺的条件：课题申请人自1998年9月进入西安交通大学机械电子工程系攻读博士学位以来，一直致力于电力电子技术、电机数字控制技术的研究和应用，从2000年6月到2002年6月在东京工业大学大学院理工学研究科电气电子专攻赤木泰文研究室进行研修，期间并在日本Myway技研株式会社进行了实习，完成了飞轮储能充放电装置的的开发，积累了很多经验。博士学位论文以风力发电的鲁棒控制研究为内容，取得了一些具有创新意义的成果，已经发表和被接受的论文13篇，正在合作出版译著一部。申请人所在的研究组内的教师和研究生从事相近或相关课题的研究，具有良好的学术和合作气氛。申请人所在的清华大学汽车工程系现正在进行燃料电池城市客车国家863重大专项的研究，在本项目研发的相关条件方面，如Matlab/Simulink的仿真、DSP数字控制、发动机台架实验等方面均有雄厚的硬件基础。本项目除申请人外还有如下人员参加：何彬，清华大学汽车工程系动力工程与工程热物理专业博士生，在本项目中负责协助设备的加工和后期的实验工作。尚缺的条件：需要加工制作盘式电机及其驱动控制器。申请资助等级与金额一等，人民币三万元使用资助金的计划及用途：使用资助金的计划及用途：1. 1kW盘式电机的加工费：8000元2. 盘式电机驱动器的加工费：7000元3. 部分实验费(消耗性的，非固定资产购置)：6000元4. 资料及论文版面费：4000元5. 学术会议及其差旅费：3000元6. 资料费、复印费：2000元推荐人意见（请对项目的意义、具体内容、创新点、主要特色和取得预期成果的可能性，申请人的学术水平及研究能力等进行评议）：飞轮作为车辆发动机曲轴输出端必不可少的部件，起着平滑发动机曲轴转速的作用，采用先进的电力电子技术、电机技术和控制技术对传统的飞轮进行改造，克服其体积笨重、功能单一的缺点，对提高车辆的节能与环保性能具有十分重要的意义。采用有源飞轮实现对发动机振动的主动控制，对于提高车辆的乘坐舒适性也具有十分重要的意义。因为传统飞轮的应用范围很广，因此有源飞轮的应用应该具有相当的普遍性。本项目不仅实用价值高，而且在采用有源飞轮对发动机的主动控制减振方面有一定的学术价值。项目申请者具有丰富的实践经验和扎实的理论基础，具有较强的独力科研工作能力，保证了该项目能取得预期的成果。鉴于课题的重要性，同时考虑到研究经费紧张，故此推荐贾要勤申请中国博士后科学基金一等资助金。推荐人姓名：陈全世 职称： 教授 专业：车辆工程推荐人单位：清华大学汽车系 签字或盖章： 年 月 日注：填写推荐人姓名时，请正楷书写推荐人意见（请对项目的意义、具体内容、创新点、主要特色和取得预期成果的可能性，申请人的学术水平及研究能力等进行评议）：随着全球能源的危机、环境污染和温室效应，对汽车发动机环保与节能性能的要求越来越高，虽然最理想的零排放的纯电动车的环保性很好，但由于各种电池在使用上还具有很大的局限性，因此纯电动车还无法得到普及。对传统的汽车发动机进行改造，在保持其原来动力性能或甚至提高其动力性的前提下，提升汽车的环保和节能效果，具有十分重要的意义。在发动机的曲轴输出端采用有源飞轮代替传统的机械式飞轮，对于提升发动机的燃油经济性、减少发动机的排放以及提高整车的动力性能都具有重要意义。贾要勤博士的此项申请具有重要的科学意义和应用价值，在国内目前很少有人从事这一方面的工作。其研究方案是合理可行的，项目具有明显新颖性和研究