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ISSN 1000-0054
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第十五届“清华大学-横山亮次优秀论文奖”暨2018年度“清华之友—日立化成学术交流奖”颁发
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  2019年, 第59卷, 第10期 上一期   
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专题:电力系统
基于三重移相控制的双有源桥DC-DC变换器性能综合优化  收藏
谷庆, 袁立强, 赵争鸣, 段任之, 陆子贤
清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (10): 785-795.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.21.024
摘要 ( 0 )   HTML    PDF(3784KB)
双有源桥DC-DC变换器(DAB)在三重移相(TPS)控制下拥有3个独立的控制自由度,通过移相自由度的合理组合可以减小DAB的电流应力,然而软开关分析表明,当DAB的电流应力处于最优状态时,系统的效率并不一定是最优的。该文在电流应力优化控制的基础上,提出一种同时考虑电流应力和效率的DAB性能综合优化方法。首先,基于DAB的开关组合规律建立了TPS控制下DAB的损耗模型,通过换流回路分析,对任意开关组合下功率半导体器件的通态损耗、开关损耗,磁性元件的铜耗和铁耗分别进行计算。在此基础上,引入效率优化权重,构建综合考虑电流应力和效率的优化目标函数,采用二维遍历算法寻优获得DAB综合性能最佳时的工作点。实验对比了单独优化电流应力或者效率时DAB的性能差异,通过合理选择效率优化权重,使得实验样机在传输6 kW功率时的效率绝对增加了0.83%,而电流应力只增加了0.5 A。该方法可以在基本不增加电流应力的前提下,有效提高DAB的效率。
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面向区域电能路由器的高效仿真建模方法  收藏
易姝娴, 袁立强, 李凯, 沈瑜, 赵争鸣
清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (10): 796-806.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.21.021
摘要 ( 0 )   HTML    PDF(10428KB)
随着区域电能路由器功率等级的提升,其拓扑结构和控制策略设计越来越复杂。如果基于装置的详细拓扑搭建仿真模型,则会导致装置或系统的电磁暂态仿真效率十分低下。针对已有的围绕电力电子装置或系统高效仿真建模方法的不足,该文基于暂态等值模型,提出了适用于区域电能路由器的高效仿真建模方法。该方法通过级间解耦方法,将复杂的电路网络分割成若干个子网,并通过模块及模块组合的Thevenin等效方法降低了单个网络的节点数量,从而实现了对节点导纳矩阵的降阶处理,提高仿真效率。该方法可适用于装置的稳态及负载切换、故障时装置的运行调试,也可适用于与电网的联合仿真。基于一台10 kV/1 MW四端口区域电能路由器进行测试,证明了该方法的快速性和准确性。
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用于Boost变换器的无负载电流传感器滑模-预测控制策略  收藏
石冰清, 赵争鸣, 魏树生, 聂金铜, 林云志
清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (10): 807-814.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.21.013
摘要 ( 0 )   HTML    PDF(5719KB)
Boost变换器作为升压DC-DC变换器被广泛应用于光伏发电、储能及电动车领域。然而由于Boost变换器的右半平面零点的频域特性,传统的PI控制策略会限制变换器的动态性能,在较大负载突变的情况下造成较大的输出电压波动,进而造成过压或欠压故障;预测控制可以有效提高动态性能、避免调整控制参数以及可增加系统约束,但由于系统参数不匹配及对损耗的忽略会造成输出电压的稳态静差。为了减小负载突变带来的电压波动同时兼顾稳态特性,本文提出了无负载电流传感器的滑模-预测控制策略,外环采用滑模面生成电感电流指令值,内环采用无差拍预测控制,并使用了滑模观测器来观测电流。该控制策略不需要负载电流传感器,相比PI控制器,不仅可以同时减小负载突变时的输出电压波动和过渡时间,还可以有效限制稳态静差。实验验证了该套控制策略的性能优越性。
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机械工程
极性变换过程的电弧图像同步错时拍摄及其动态行为观测  收藏
符平坡, 朱志明, 程世佳
清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (10): 815-822.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.26.016
摘要 ( 0 )   HTML    PDF(2425KB)
对变极性钨极惰性气体(tungsten inert gas,TIG)保护焊电流换向过程中的电弧形态和电流变化信息进行同步采集及综合分析,有助于深入认识极性变换过程中电弧的动态变化机理。然而,变极性过程持续时间短,对电流信息和电弧图像的同步采集精度以及图像采集设备的采集频率和图像分辨率都提出了较高要求。该文综合运用数据采集卡的同步输入与输出功能及高速摄像的同步触发功能,实现了变极性过程的焊接电流和电弧图像的同步采集,同步误差可控制在2 μs以内,同时,利用脉冲触发电压周期与变极性周期的差值,实现了以较低的采集频率和较高的图像分辨率而获得了近似连续变化的电弧图像,降低了对图像采集设备的性能要求。在此基础上,对焊接电弧动态行为随电流的变化规律进行初步分析,发现变极性过程中电弧形态变化滞后于电流变化,电流过零时刻及前后不会发生电弧熄灭现象,且电弧灰度最低时刻出现在极性变换后的电流恢复阶段,研究结果为进一步改善变极性TIG焊的电弧燃烧稳定性指明了方向。
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铝合金筒壁电弧增材制造数值模拟中分段弧形体热源模型的建立  收藏
董明晔, 赵玥, 贾金龙, 李权, 王福德, 吴爱萍
清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (10): 823-830.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.22.024
摘要 ( 0 )   HTML    PDF(9061KB)
为提升铝合金筒壁电弧增材制造数值模拟的计算效率,基于Goldak移动双椭球体热源在圆弧路径上的分段化与ABAQUS的二次开发,阐述了分段弧形体热源的数学推导过程;建立了有限元模型并进行了移动体热源、材料参数与边界条件的试验验证,模拟结果与试验结果吻合良好;利用3种分段策略进行计算并分析了计算精度与效率。分段策略的数值模拟结果与移动体热源的对比表明:热循环曲线的变化趋势一致,峰值温度的计算误差在8%以内;残余应力云图的分布规律一致,且计算结果对热源的分段段数不敏感;利用一段、四段、八段弧形体热源进行计算的总时间分别节约了98.24%、77.51%、65.96%。
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基于摩擦力的机械臂零重力系统卸载性能  收藏
田斯慧, 唐晓强, 代海林, 李煜琦
清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (10): 831-837.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.26.024
摘要 ( 0 )   HTML    PDF(7140KB)
空间机械臂在地面零重力系统进行模拟实验前,需先用装有传感器的模拟机械臂对模拟系统的卸载性能进行评定,以保证系统工作时的可靠性。该文首先建立了一个七关节机械臂在地面零重力系统中的动力学模型,计算了各关节扭矩,并以扭矩作为模拟系统卸载性能的评价指标。接着采用连续性摩擦模型对系统进行摩擦力参数辨识,通过实验结果反推出系统的摩擦力特性,并对关节扭矩进行修正。修正后的计算扭矩更接近实验值,保证了理论建模的准确性。该模型可以预测出未安装传感器的空间机械臂在模拟系统中运行时的力学参数,保证实验的安全。
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2UPU/SP 3自由度并联机构的动力学性能评价  收藏
王潇剑, 吴军, 岳义, 许允斗
清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (10): 838-846.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.22.023
摘要 ( 0 )   HTML    PDF(5142KB)
动力学特性是并联机构的一项重要性能。该文以一种用于航天复合材料加工的混联机器人中的2UPU/SP并联机构为研究对象,考虑两个UPU运动学支链的平面约束特性,建立了该3自由度并联机构的运动学模型,并基于虚功原理,推导了动力学模型。给出一种动力学性能评价指标,该指标以一个驱动力为单位量且其他驱动力小于或等于单位量时的动平台最大加速度来评价并联机构的加速性能。基于给出的动力学性能评价指标,对2UPU/SP并联机构的线加速度和角加速度分别进行评价,并与一种传统的2UPS/UP并联机构进行比较,结果表明2UPU/SP机构具有更好的加速度性能。
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基于MPI+OpenMP混合编程模式的大规模颗粒两相流LBM并行模拟  收藏
何强, 李永健, 黄伟峰, 李德才, 胡洋, 王玉明
清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (10): 847-853.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.22.019
摘要 ( 0 )   HTML    PDF(5903KB)
针对大规模三维颗粒两相流全尺度模拟并行计算问题,该文采用MPI+OpenMP混合编程模式,其中机群节点采用MPI并行计算,节点内部采用OpenMP进行细粒化的并行计算,并根据格子Boltzmann方法(LBM)颗粒两相流的特点进行OpenMP程序并行优化设计,提出了一种适用于大量颗粒的三维颗粒两相流LBM并行计算模型。以颗粒沉积问题为例,在集群计算机平台对并行算法的加速性能进行测试。计算结果表明:该算法具有良好的加速比及扩展性,并且其计算量具有颗粒数量不敏感的优点,适用于大规模多颗粒两相流问题的研究。
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物理与工程物理
基于客流规律的地铁车站客流风险分析  收藏
李子浩, 田向亮, 黎忠文, 周炜, 周志杰, 钟茂华
清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (10): 854-860.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.21.028
摘要 ( 0 )   HTML    PDF(8029KB)
地铁车站类型识别和客流风险识别对地铁安全运营管理有着重要的作用。基于深圳地铁AFC(automatic fare collection)系统数据,采用无关值和异常值清理、聚合、均值滤波、标准化、主成分分析等数据清洗步骤,提取不同时段客流比例、不同天数客流比例和换乘客流比例等特征。运用Gauss混合模型(GMM)对工作日和周末客流进行聚类,分析客流出行规律,辨识车站类型及其对应的客流风险时段,提出车站客流风险分析方法,通过大数据分析对车站类型和客流风险进行识别。分析结果对掌握车站大客流风险情况,避免大客流冲击造成的拥挤踩踏等群体性事件的发生,保障乘客安全具有指导意义。
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基于辐射场梯度变化的变权重网格划分方法  收藏
何良, 李华, 赵原, 刘立业, 曹勤剑, 李君利
清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (10): 861-865.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.21.026
摘要 ( 0 )   HTML    PDF(2570KB)
三维辐射场数据是进行剂量评估与优化的基础,为了更好地解决辐射场数据的快速计算与三维可视化显示的难题,该文基于辐射场梯度变化提出了一种变权重的非均匀网格划分方法,可根据辐射场的梯度变化划分出疏密程度不同的三维计算网格,兼顾辐射场数据的计算精度与计算效率,并使用点核积分程序对该网格划分方法进行了计算验证。结果表明,在计算精度几乎相同时,变权重的非均匀网格划分方法能够有效地缩短辐射场的计算时间,较大程度地提高点核积分方法的计算效率,同时该网格划分方法也表现出更好的辐射场显示效果。该研究可为点核积分方法在核设施三维辐射场可视化计算与剂量评估方面的应用提供技术支持。
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环境科学与工程
SWAT模型流域划分方法在平原灌区的改进及应用  收藏
姜婧婧, 杜鹏飞
清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (10): 866-872.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.22.033
摘要 ( 0 )   HTML    PDF(1402KB)
不准确的子流域定义会影响土壤和水评估工具(SWAT)模型在平原灌区的模拟结果。针对SWAT模型流域划分,提出基于数字高程模型(DEM)预处理和SWAT模型自动与自定义划分方法联用的改进方法,并以内蒙古河套灌区九排域为例进行应用。结果表明:相较于SWAT原有自动划分方法,改进方法能够生成案例区域特定级别排沟对应的所有子流域,子流域边界识别率、河网识别率、总流域覆盖率分别提升61%、4%、4%;基于改进划分方法构建的SWAT模型水文模拟结果与实际情况吻合良好。改进方法能够有效提升SWAT模型在平原灌区特定级别的水文管理中的适用性。
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