李 欣, 李若瓊
(蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
交流異步牽引電機(jī)已廣泛應(yīng)用于CRH系列的高速動(dòng)車組。動(dòng)車組交流異步牽引電機(jī)具有空間分布性特點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組牽引電機(jī)群的協(xié)同控制必須通過車輛內(nèi)部的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)不同車輛之間通信與控制。引入動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對(duì)異步電機(jī)牽引控制系統(tǒng)的影響以及非線性控制實(shí)現(xiàn)的問題,日益成為高速動(dòng)車組牽引控制待解決的重要課題。
高速動(dòng)車組的牽引控制、車輛控制、數(shù)據(jù)采集,以及列車和車輛設(shè)備的控制、監(jiān)測(cè)、故障診斷與維護(hù),通過基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61375-1的列車通信控制網(wǎng)絡(luò)(Train Communication Network, TCN)實(shí)現(xiàn)。TCN由列車總線和車輛總線構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 列車通信控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
引入網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)給異步電機(jī)牽引系統(tǒng)帶來了許多不確定因素(如網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失等)[1-3],這使得對(duì)異步電機(jī)牽引控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)更復(fù)雜?,F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)控制分析方法主要集中在線性系統(tǒng)領(lǐng)域[4-5],要實(shí)現(xiàn)異步牽引電機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化控制,就必須解決對(duì)異步牽引電機(jī)進(jìn)行線性化解耦的問題。
異步牽引電機(jī)是一個(gè)十分復(fù)雜的非線性控制對(duì)象[6]。由于變量之間存在交叉耦合,要提高交流牽引電機(jī)的控制性能[6-7],必須使感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)解耦。矢量控制技術(shù)可使感應(yīng)電機(jī)的調(diào)速達(dá)到與直流電機(jī)相近的性能。但矢量控制只能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈的穩(wěn)態(tài)解耦,不能實(shí)現(xiàn)二者間的動(dòng)態(tài)解耦。逆系統(tǒng)解耦控制方法[8]是一種非線性反饋線性化方法,具有直觀、簡(jiǎn)便和易于理解的特點(diǎn)。已有學(xué)者將逆系統(tǒng)控制方法引入到了交流調(diào)速領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)了定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)解耦控制[9-11]。
要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)條件下的異步牽引電機(jī)非線性控制,需要對(duì)電機(jī)系統(tǒng)模型進(jìn)行線性化解耦并考慮網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的不確定因素。目前,基于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)控制方法已提出了一些重要的分析和設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[12,13]設(shè)計(jì)了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的直流電動(dòng)機(jī)控制器,并對(duì)傳統(tǒng)的電機(jī)控制系統(tǒng)和基于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析比較。文獻(xiàn)[14,15]考慮網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時(shí)間延遲和數(shù)據(jù)包丟失,提出了一種新的網(wǎng)絡(luò)化直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)方法。上述研究成果大多未考慮電機(jī)的非線性問題,而非線性問題是異步牽引電動(dòng)機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化控制的主要障礙。異步牽引電機(jī)的控制因其強(qiáng)耦合和非線性動(dòng)力學(xué)特性比直流牽引電機(jī)更具復(fù)雜性。
本文針對(duì)基于列車通信控制網(wǎng)絡(luò)的異步牽引電機(jī)控制系統(tǒng),利用逆系統(tǒng)方法,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈的動(dòng)態(tài)解耦控制??紤]網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的不確定性,建立了網(wǎng)絡(luò)化的異步牽引電機(jī)控制模型,給出了系統(tǒng)的穩(wěn)定條件。仿真試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制方法的正確性和有效性。
(1)
系統(tǒng)輸出方程為
(2)
k2=Rr/Lr;
k3=Lm/σLsLr;
k4=np;
k5=1/σLs;
k6=np2Lm/JLr;
k7=Lm;
k8=np/J。
式中:ω——電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;
ψa、ψb——轉(zhuǎn)子磁鏈;
ia、ib——兩相定子電流;
np——電機(jī)的極對(duì)數(shù);
J——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;
TL——負(fù)載轉(zhuǎn)矩;
Rs、Rr——定子、轉(zhuǎn)子的電阻;
Ls、Lr——定子、轉(zhuǎn)子的自感;
Lm——定子轉(zhuǎn)子間互感;
σ——角度,dσ/dt=npω。
采用逆系統(tǒng)方法對(duì)牽引電機(jī)進(jìn)行解耦,需要確定系統(tǒng)的相對(duì)階來判別系統(tǒng)是否可逆,由式(2)得
k6(x2x3-x1x4)-k8TL
根據(jù)文獻(xiàn)[17]中給出的系統(tǒng)可逆的充要條件可得
(3)
由于detA(x,u)=-2k2k52k6k7(x42+x32),當(dāng)x∈Ω={x∈R5: x4≠0,x3≠0}時(shí),A(x,u)非奇異,rankA(x,u)=2,故系統(tǒng)的相對(duì)階為γ={2,2}。令v=[va,vb]T作為γ階積分逆系統(tǒng)的輸入,則解耦后偽線性系統(tǒng)方程可表示為
(5)
由detA(x,u)≠0可知式(5)存在唯一解,其解析表達(dá)式為
[-k2x2x3x4+k4x2x42x5-k2x1x42+
k3k4x33x5-k2x2x32-k1k2x2x42-k1x32x2+
k2k3x32x4-2k2x1x3x4+k2k3x34+k2k7x4x12+
異步牽引電機(jī)系統(tǒng)相對(duì)階的代數(shù)和滿足
(8)
其小于系統(tǒng)的階數(shù),故可選定4個(gè)新的狀態(tài)變量。定義坐標(biāo)變換為
z1=y1=x5
(9)
設(shè)轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆亲鳛榈?個(gè)新的狀態(tài)變量,即
z5=arctan(x4/x3)
根據(jù)文獻(xiàn)[18]可知,γ (10) 由此,可得到在新坐標(biāo)系下線性且可控的異步牽引電機(jī)模型,實(shí)現(xiàn)了異步牽引電機(jī)非線性模型的線性化解耦。 本文所考慮的網(wǎng)絡(luò)化異步牽引電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為: (1) 牽引電機(jī)偽線性復(fù)合系統(tǒng);(2) 具有不確定時(shí)延的列車通信控制網(wǎng)絡(luò);(3) 網(wǎng)絡(luò)控制器。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 圖2 網(wǎng)絡(luò)化異步牽引電機(jī)逆解耦控制結(jié)構(gòu)圖 由于引入網(wǎng)絡(luò),列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的信號(hào)傳輸存在時(shí)間延遲。網(wǎng)絡(luò)時(shí)延包括傳感器到控制器的時(shí)延和控制器到執(zhí)行器的時(shí)延。實(shí)際控制系統(tǒng)中, 還需要考慮計(jì)算時(shí)延, 一般可將其歸并到上述兩種時(shí)延中。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時(shí)延是導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化和系統(tǒng)不穩(wěn)定的一個(gè)重要因素。 設(shè)τsc表示傳感器到控制器的時(shí)延,τca表示控制器到執(zhí)行器時(shí)延。在對(duì)基于TCN的動(dòng)車組異步牽引電機(jī)控制系統(tǒng)建模之前,對(duì)本文中列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作如下假設(shè)。 (1) 傳感器是時(shí)間驅(qū)動(dòng),對(duì)控制對(duì)象的輸出進(jìn)行周期采樣。 (2) 控制器由事件驅(qū)動(dòng),其可由外部事件中斷機(jī)制來實(shí)施。當(dāng)新的傳感器數(shù)據(jù)到達(dá)控制器后,通過計(jì)算得到控制信號(hào),進(jìn)行調(diào)速控制。 (3) 執(zhí)行器由事件驅(qū)動(dòng),當(dāng)新的控制數(shù)據(jù)到達(dá)執(zhí)行器后,得到的控制信號(hào)作用于牽引電機(jī)。 (4) 網(wǎng)絡(luò)中存在不確定時(shí)延,不考慮數(shù)據(jù)包丟失??刂坡室欢〞r(shí),傳感器到控制器的時(shí)延和控制器到執(zhí)行器時(shí)延可以合并為τk=τsc+τca。0≤τmin≤τk≤τmax≤T,其中τmin和τmax為常數(shù),T為采樣周期。 根據(jù)上述假設(shè)可知,在kT采樣周期內(nèi),控制器的輸出信號(hào)向量可描述為 (11) 動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)控制器是一個(gè)高度復(fù)雜的控制器,其具有強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)能力。網(wǎng)絡(luò)控制器可以對(duì)所有的遠(yuǎn)程牽引電機(jī)提供可靠的實(shí)時(shí)控制律,包括故障診斷、輔助控制和網(wǎng)絡(luò)流量狀況監(jiān)測(cè)。牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制器提供的控制信號(hào)va和vb,使?fàn)恳姍C(jī)輸出轉(zhuǎn)速和輸出磁鏈幅值準(zhǔn)確跟蹤參考值。其中,va是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速控制信號(hào),vb是轉(zhuǎn)子磁通控制信號(hào)。 根據(jù)式(10),網(wǎng)絡(luò)化的牽引電機(jī)控制系統(tǒng)狀態(tài)空間描述可表示為 (12) 其中: 取采樣周期為T,網(wǎng)絡(luò)化的異步牽引電機(jī)控制系統(tǒng)可被離散化為 z(k+1)=Φz(mì)(k)+Φ1Bv(k)+Φ2Bv(k-1) (13) 式(13)中,Ф1,Ф2顯然是時(shí)變的。利用矩陣?yán)碚搶⑸鲜隹紤]網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延的牽引電機(jī)控制系統(tǒng)離散模型變換為具有不確定時(shí)延的線性離散模型為 z(k+1)= Φz(mì)(k)+(B1+DEF(τk))v(k)+ (B2-DEF(τk))v(k-1) y(k)=Cz(k) (14) 其中,B1、B2、D、E為定常矩陣,其與F(τk)的取值根據(jù)系統(tǒng)系數(shù)矩陣A的特征值為互異還是有零特征根和重根的情況而定[19],且FT(τk)F(τk)≤I。 使用動(dòng)態(tài)輸出反饋控制方法[20]設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)輸出反饋控制器為 zc(k+1)=Aczc(k)+Bcy(k) (15) 其中,zc(k)∈Rp表示控制器的狀態(tài),v(k)∈Rr表示控制器的輸出,矩陣Ac、Bc和K是已知的適當(dāng)維數(shù)的矩陣。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延為0≤τk≤T時(shí),考慮式(14)和式(15),可得閉環(huán)系統(tǒng)模型為 z(k+1)= Φz(mì)(k)+(B1+DEF(τk))Kzc(k)+ (B2-DEF(τk))Kzc(k-1) zc(k+1)=BcCz(k)+Aczc(k) (16) (17) 其中,W為 (18) 證明: 選擇正定矩陣P、M和N,定義一個(gè)Lyapunov泛函V(·)為 V(·)=zT(k)Pz(k)+zcT(k)Nzc(k)+ (19) V(·)沿閉環(huán)系統(tǒng)式(17)的任意前向差分為 (20) 式中,L=[B1+DEF(τk)]K,T=[B2-DEF(τk)]K 若Q<0,由Schur補(bǔ)引理可推導(dǎo)出其與W<0等價(jià)。根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性理論可知,閉環(huán)系統(tǒng)(17)魯棒穩(wěn)定,定理證畢。 為了驗(yàn)證基于列車通信控制網(wǎng)絡(luò)的牽引電機(jī)逆解耦控制方法在高速動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中的有效性和可行性,采用基于TCN標(biāo)準(zhǔn)的CRH3型高速動(dòng)車組的交流異步牽引電機(jī)為研究對(duì)象,進(jìn)行了基于MATLAB/Simulink和Truetime工具箱的計(jì)算機(jī)仿真。 所采用的交流異步牽引電機(jī)參數(shù): 額定功率PN=562kW,額定電壓UN=2.75kV,額定頻率fsN=138Hz,定子電阻Rs=0.1065Ω,轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.0663Ω,定子漏電感Ls=1.31mH,轉(zhuǎn)子漏電感Lr=1.93mH,互感Lm=53.6mH,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=4.5kg·m2,極對(duì)數(shù)np=2,負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=500N·m,磁鏈給定ψref=1.5Wb,轉(zhuǎn)速給定ωref=205rad/s,逆變器直流母線電壓3.2kV。系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)框圖,如圖3所示。 圖3 網(wǎng)絡(luò)化異步牽引電機(jī)逆解耦控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)框圖 假設(shè)采樣周期為0.01s,選a1=a2=a3=a4=1,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化的異步牽引電機(jī)控制系統(tǒng)線性化模型,可得 利用MATLAB中的線性矩陣不等式(Linear Matrix Inequality, LMI)工具箱求解不等式W<0,可獲得控制器參數(shù)為 不考慮網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的不確定網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)系統(tǒng)的影響時(shí),根據(jù)文獻(xiàn)[16]采用兩個(gè)獨(dú)立的PD控制器,轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)速初始時(shí)刻分別給定ψref=1.5Wb和ωref=205rad/s。在t=1.5s時(shí)給定轉(zhuǎn)速變?yōu)棣豶ef=314rad/s,而轉(zhuǎn)子磁鏈幅值在t=2.5s時(shí)給定磁鏈變?yōu)棣譺ef=0.8Wb,轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子磁鏈的輸出響應(yīng)分別如圖4(a)、圖4(b)所示。 圖4 采用PD控制器時(shí)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈的解耦仿真 考慮網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的不確定網(wǎng)絡(luò)時(shí)延,仍采用圖4中相同的PD控制器以補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)系統(tǒng)的影響。Truetime網(wǎng)絡(luò)采用CSMA/CD訪問控制方式,調(diào)度采用prioFP(固定優(yōu)先級(jí))策略,網(wǎng)絡(luò)傳輸速率設(shè)定為1.5Mb/s,最小幀長(zhǎng)度為2Byte,采樣周期為0.01s,利用干擾節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)時(shí)延。轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)速初始時(shí)刻分別給定為ψref=1.5Wb和ωref=205rad/s,在t=1.5s時(shí)給定轉(zhuǎn)速變?yōu)棣豶ef=314rad/s,而轉(zhuǎn)子磁鏈幅值在t=2.5s時(shí)給定磁鏈變?yōu)棣譺ef=0.8Wb,轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子磁鏈的輸出響應(yīng)分別如圖5(a)、圖5(b)所示。 圖5 網(wǎng)絡(luò)條件下采用PD控制器時(shí)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈的解耦仿真 考慮網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的不確定網(wǎng)絡(luò)時(shí)延,采用式(15)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)控制器以補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)系統(tǒng)的影響。網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和給定變化情況與上述方法一致時(shí),轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子磁鏈的輸出響應(yīng)分別如圖6(a)、圖6(b)所示。 仿真結(jié)果表明轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)解耦,網(wǎng)絡(luò)控制器比PD控制器對(duì)于網(wǎng)絡(luò)不確定網(wǎng)絡(luò)時(shí)延有更好的控制效果。 圖6 網(wǎng)絡(luò)條件下采用網(wǎng)絡(luò)控制器時(shí)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈的解耦仿真 本文研究了基于列車通信控制網(wǎng)絡(luò)的牽引電機(jī)逆解耦控制方法。針對(duì)目前網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析主要集中在線性系統(tǒng)領(lǐng)域的實(shí)際情況,應(yīng)用逆系統(tǒng)方法對(duì)具有非線性、強(qiáng)耦合、多變量特性的異步牽引電機(jī)非線性模型進(jìn)行線性化解耦,使異步牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈被解耦成兩個(gè)獨(dú)立的線性子系統(tǒng)。然后考慮存在不確定網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),采用動(dòng)態(tài)輸出反饋控制方法,得到異步牽引電機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化控制模型和反饋控制算法。通過Lyapunov穩(wěn)定性理論分析并獲得了閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定條件。以CRH3型高速動(dòng)車組的交流異步牽引電機(jī)為研究對(duì)象,通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)化逆解耦控制方案的有效性、可行性和優(yōu)越性。 【參考文獻(xiàn)】 [1] HUANG D, SING K N. 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2.1 具有不確定時(shí)延的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)
2.2 網(wǎng)絡(luò)化的牽引電機(jī)控制系統(tǒng)模型
y(k)=Cz(k)2.3 牽引電機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)
v(k)=Kzc(k)
zcT(k-1)Mzc(k-1)3 仿真試驗(yàn)
4 結(jié) 語