基于事件触发NCS的容错控制器设计及其应用

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网络控制系统(Networked Control Systems,简称NCS)的特点是控制回路通过数字网络来闭合。被控对象、传感器、控制器和执行器通过网络进行数据传输,从而具有低安装维护费用、高可靠性、高灵活性、少接线等优点,它是一种可以使用户之间实现资源共享的远程系统,广泛应用于工程领域。但是时变时延的存在,会降低系统的稳定性和性能。在网络控制系统中,数据定期采样的传递方式具有易于控制的特点,但当系统进入稳定点附近时,数据变化缓慢,采用一定的周期进行传输会出现传输的数据变化不大甚至重复的情形,增加网络的传输量,因此,引入“事件触发机制”。控制系统最基本要求就是必须维持系统稳定性,满足一定的性能指标亦是判断系统优良的重要环节。在实际应用中,系统中的被控对象是直流伺服电机,发展一种新型网络化直流伺服电机控制系统已经成为一种新趋势。因此,本文研究基于事件触发机制的网络控制系统中,设计容错控制器及在伺服电动机中的应用。其主要研究内容如下:针对线性时变时滞连续系统中存在外界干扰及未知执行器故障,利用观测器进行故障检测设计。通过引入简单的L-K(Lyapunov–Krasovskii)泛函,包括变量的交叉项以及二次项和高阶的标量函数的乘积项,并在不进行延迟分解的情况下应用积分不等式和二次凸组合相结合的思想,设计具有H_∞性能的故障检测观测器。观测器存在的条件以LMI(Linear matrix inequalities)的形式表示,便于利用成熟的工具箱对观测器进行设计。最后通过仿真算例验证所提方法的可行性。引入事件触发机制,针对基于事件触发机制的NCS,首先设计正常的状态反馈控制器,使系统正常运行时能具备良好的动态性能。其次,设计主被动混合容错控制器,使系统在出现故障后是稳定的,同时具有一定的H_∞扰动抑制性能。由于设计涉及多个控制器的切换,引入平滑切换函数来减少抖动。通过一个数值例子仿真验证设计方法的有效性。对于直流伺服电机这个被控对象,将传统的直流伺服电机控制原理与网络化控制系统理论相结合,发展一种新型网络化直流伺服电机控制系统,从而验证前面提出方法的实用性。
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