基于双边闭环函数方法的网络化电机控制系统分析与设计

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伴随着计算机和网络通讯技术的迅速发展,网络控制系统(networked control system,NCS)得到了广泛的关注。在网络控制系统中,采样作为信息处理的前端,使得其在网络通讯、数据传输的过程中起着重要作用。系统中元件执行的速度和网络带宽是有限的,在信号的采集和传输中不可避免的会产生拥堵,从而导致数据传输时滞,并且在网络环境中时滞通常具有随机性。众所周知,增大采样周期可以节约网络通讯资源。因此,在具有数据传输时滞的网络环境下研究时滞范围与保证系统稳定允许的最大采样周期之间的关系对实际网络控制系统的设计具有指导意义。为此,本文主要针对网络环境下不确定时滞对网络控制系统的影响进行了一系列的分析与设计,其主要内容为:首先,建立网络化交流异步电机控制系统数学模型,在Simulink中利用Truetime工具箱搭建网络化异步电机仿真模型,应用PID控制方法,分析了时滞和外部扰动对控制系统稳定性的影响。其次,在分析网络化采样控制系统时,采用双边闭环函数方法,构建新的Lyapunov泛函,研究了在不确定时滞情况下采样系统的稳定性问题。为了综合考虑采样周期和传输时滞的信息,在对泛函进行处理的过程中,先将积分区间划分为多个子区间,然后合并相同积分区间,再利用自由矩阵积分不等式进行处理,结合Lyapunov稳定性定理得出系统的渐近稳定判据,最后以一个数值实例说明了该方法的有效性。最后,研究了网络环境下采样控制器设计问题,针对采样控制器计算过程中非线性项无法求解问题,采用参数替代法进行线性化处理,得出了在时滞不确定情况下,采样控制系统的最大采样周期和相应的控制器增益。考虑到实际情况下交流异步电机老化、损耗等因素可能导致电机参数具有不确定性。因此,进一步研究了含有不确定参数情况下网络化交流异步电机的鲁棒稳定性问题。结合H∞控制理论获得了H∞控制器的存在条件,并提出了控制器的设计方法。通过数值实例和仿真验证了方法的有效性。
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