基于实时以太网的永磁牵引系统的鲁棒容错控制

In order to research the problem of robust fault-tolerant control for the permanent-magnet motor traction system based on real-time Ethernet, a permanent-magnet motor mathematical model networked is established. Considered the characteristics of sampling control in Networked Control Systems(NCSs) with the data transmission delay and data packet loss, the idea of delay decomposition is employed according to the difference of the sampling period, the data transmission delay and data packet loss delay. Thus, a new model of NCSs based on the delay decomposition is constructed, which takes into account of the characteristics that the sampling time of sampler and the refreshing time of zero-order holder in NCSs are not synchronous and the delay at the refreshing time of zero-order holder is discrete. Next, choosing different Lyapunov-Krasovskii functionals for every case that may exist in sampling period, the data transmission delay and data packet loss in NCSs. By considering the key characteristics of the sensor and actuator failures, more effective robust fault-tolerant controller design methods, which can eliminate the influence of train running in actuator fault,are derived. The result and appoach will be verified by applying Truetime toolbox in Matlab/ Simulink and the semi-physical simulation platform of train network system for urban rail transit. The research has great significance in the theory and application.

针对基于实时以太网的永磁电机牵引系统鲁棒容错控制问题，通过建立永磁电机的网络化数学模型，深入剖析数据传输时延和数据丢包网络环境下网络控制系统采样控制特性，提出了根据网络控制系统中采样周期、数据传输时延和数据丢包对网络时滞的影响和时滞特点并利用三者信息特征进行时滞信息分解的思路，建立针对采样时刻与驱动端零阶保持器刷新时刻不同步、零阶保持器刷新时刻点时滞不连续的网络控制系统模型。然后，充分考虑到采样周期、数据传输时延、数据丢包等行为特征构建不同的Lyapunov-Krasovskii泛函，并综合考虑到传感器、执行器失效情况下的关键特性，获得更加有效的鲁棒容错控制器设计方法，达到消除列车中执行机构故障对列车运行过程的影响，研究结果在Matlab的Truetime仿真工具箱中进行验证并在列车网络控制系统半实物仿真平台上进行测试，课题具有重要的理论意义和应用价值。

列车牵引控制系统是高速列车的核心技术，永磁同步电机及网络驱动控制系统成为研究的热点，课题将控制网络引入永磁同步电机控制系统，建立永磁同步电机系统网络化控制的数学模型。通过深入剖析引入网络后的数据传输时延和数据丢包等环境下网络控制系统的采样控制特性，提出了根据网络控制系统中采样周期、数据传输时延和数据丢包对网络时滞的影响和时滞特点，采用全时滞状态及其导数等信息的方法，分别构建了一系列包含三重积分项的增广LK泛函、完全采样区间依赖非连续Lyapunov泛函和新的单求和和双求和离散不等式方法。这些方法既充分考虑了积分项中所有时滞状态信息，也能充分捕捉到从 t-τ至tK- τ和从 t-τ至tK+1- τ 双边区间的采样信息，且易于控制器设计，从而获得了具有较小保守性的网络化控制系统鲁棒稳定性和鲁棒控制器设计条件。通过基于LMI的Matlab/ Simulink平台和Triphase半实物仿真平台开展仿真实验和测试研究，利用所建立永磁同步电机网络化控制系统的数学模型和研究提出的Lyapunov- Krasovskii泛函，借助于H∞控制理论，充分考虑模型不确定性因素，使用参数调整算法和换元法将非线性矩阵不等式线性化，然后利用Matlab中LMI工具箱求解。结果表明，采用的全时滞状态及其导数信息并结合H∞控制理论所设计的永磁同步电机网络化控制系统，能有效解决网络传输时延，数据丢包等时滞对系统稳定性的影响，并对电机负载转矩扰动时也具有较好的动态调整性能。