軌道車輛弓網(wǎng)系統(tǒng)主動(dòng)控制研究

蔣蘇杰 楊儉 楊瀝 孔令強(qiáng) 周群 馮婷立

摘要：列車受電弓與接觸網(wǎng)間的接觸力穩(wěn)定直接影響列車的安全運(yùn)行。對(duì)列車弓網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)控制是保證列車運(yùn)行時(shí)弓網(wǎng)接觸力穩(wěn)定的有效方法。建立受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，分別采用PID算法及模糊滑?？刂茖?duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。在此基礎(chǔ)上提出一種模糊滑模自適應(yīng)PID控制器。分析對(duì)比3種控制的效果，從而為研究高效智能的弓網(wǎng)主動(dòng)控制系統(tǒng)提供科學(xué)理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 受電弓; 主動(dòng)控制; 控制算法; 仿真

【Abstract】 The stable contact force between the train pantograph and the contact network is one of the main factors affecting the safe operation of the train. Active control of the train bow network system is an effective method to ensure the stability of the bow network contact force when the train is running. The dynamic model of the pantograph-contact network system is established， and the PID system and fuzzy synovial membrane control are used to control the bow network system. Based on this， a fuzzy synaptic adaptive PID controller is proposed. the effects of the three controls are analyzed and compared， so as to provide a scientific theoretical basis for the study of efficient and intelligent bow network active control system.

【Key words】 ?pantograph; active control; control algorithm; simulation

0 引 言

弓網(wǎng)關(guān)系直接影響列車運(yùn)行。在對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系評(píng)價(jià)中，弓網(wǎng)間的接觸力是重要依據(jù)。弓網(wǎng)間接觸力過(guò)大或過(guò)小都會(huì)直接影響著列車的運(yùn)行。對(duì)受電弓進(jìn)行主動(dòng)控制是保持弓網(wǎng)接觸力穩(wěn)定的有效方法。

本文提出對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行PID控制、模糊滑?？刂频难芯糠椒āＴ诖嘶A(chǔ)上又提出一種模糊滑模自適應(yīng)PID控制器，對(duì)受電弓進(jìn)行主動(dòng)控制。

1 弓網(wǎng)系統(tǒng)建模

1.1 弓網(wǎng)系統(tǒng)建模機(jī)理研究

2.4 模糊滑模自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)

復(fù)雜系統(tǒng)通常具有非線性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定等多種復(fù)雜因素。PID控制對(duì)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)沒(méi)有良好的控制效果，而且一旦當(dāng)參數(shù)的變化超出設(shè)定范圍時(shí)，系統(tǒng)的效果性能會(huì)有明顯的下降。因此，將模糊滑模和PID控制結(jié)合，提出一種模糊滑模自適應(yīng)PID控制?？刂七^(guò)程的簡(jiǎn)略設(shè)計(jì)如圖3所示。

模糊滑?？刂七m用于控制參數(shù)范圍比較大波動(dòng)，而小范圍內(nèi)的波動(dòng)控制則適合用PID來(lái)控制。確定了弓網(wǎng)耦合接觸力的理想值，將弓網(wǎng)接觸力的實(shí)際值與其做比較，通過(guò)誤差判斷模塊判斷誤差范圍，即通過(guò)判斷模塊的上下限定值來(lái)決定啟用哪一種控制策略能達(dá)到最有效果。

在仿真過(guò)程中，當(dāng)誤差值超過(guò)了誤差判斷模塊中的最值限定，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)模糊滑?？刂?當(dāng)誤差值小于誤差判斷模塊的最值限定時(shí)，系統(tǒng)則啟動(dòng)PID控制。將2種控制結(jié)合構(gòu)成模糊滑模PID控制器，控制效果就會(huì)比較優(yōu)秀。不僅可以用于高階的、時(shí)變的被控對(duì)象，還能適用于非線性的被控對(duì)象，弓網(wǎng)系統(tǒng)的受流質(zhì)量也會(huì)得到顯著改善。

3 仿真分析

3.1 實(shí)驗(yàn)仿真運(yùn)行結(jié)果

對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到弓網(wǎng)系統(tǒng)未加主動(dòng)控制前的運(yùn)行結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)施加主動(dòng)控制，進(jìn)行仿真，對(duì)比分析。

本文中受電弓參數(shù)為： 靜態(tài)接觸力F=90 N，c1=120 N·s/m，c2=30 N·s/m，k1=10 000 N/m，k2=0（沒(méi)有考慮車體振動(dòng)）以及質(zhì)量塊m1=8 kg，質(zhì)量塊m2=12 kg;列車運(yùn)行速度為80 km/h。

接觸線參數(shù)為： 線密度q=20 kg/m，張力T=20 kN，跨距L=63 m，橫截面積A=150 mm2，彈性模量E=1.0×105 MPa。速度為80 km/h。

通過(guò)試湊法調(diào)節(jié)不同環(huán)節(jié)的系數(shù)值，得到PID控制下的最佳系數(shù)值Kp，Ki，Kd。最佳系數(shù)值為Kp=6，Ki=0.7，Kd=0.1。

模糊滑模控制中的切換系數(shù)矩陣設(shè)計(jì)為[WT5HX]C[WT5BX]e=[5.01 8.16 0.87 3.34]，取式（15）中的k=10，ε=0.5。

由此可得PID控制、模糊滑?？刂婆c模糊滑模自適應(yīng)PID控制仿真結(jié)果如圖4～圖8 所示。

3.2 仿真結(jié)果分析與總結(jié)

當(dāng)列車運(yùn)行速度為80 km/h時(shí)，可得仿真數(shù)據(jù)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可得，弓網(wǎng)模型在經(jīng)過(guò)PID、模糊滑模控制、模糊滑模自適應(yīng)PID下，接觸力評(píng)價(jià)參數(shù)均得到有效提升，接觸力更加穩(wěn)定。研究可得剖析論述如下。

（1）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)控制后，弓和網(wǎng)之間動(dòng)態(tài)接觸力狀況得到明顯改觀。從仿真結(jié)果來(lái)看，接觸力平均值情況得到改善，原系統(tǒng)的接觸力均值為83.5 N，經(jīng)過(guò)PID、模糊滑模控制、模糊滑模自適應(yīng)PID三種主動(dòng)控制增大為85.1 N，88.8 N，93.3 N，更加接近于該速度下的經(jīng)驗(yàn)值104.6 N;最小值得到有效提高，從控制前的41.9 N增加到44.2 N、49.2 N、56.9 N;最大值得到有效降低，從179.0 N下降到147.3 N、139.7 N、127.7N。接觸力均方根和接觸力不均勻系數(shù)也得到了有效降低。均方根從33.5下降到26.2、25.9、18.7，下降率分別為34.5%、33.3%、38.3%;不均勻系數(shù)從20.9下降到13.3、11.9、12.3，下降率分別為49.8%、65.5%、66.8%。

（2）在3種主動(dòng)控制下，從各種評(píng)價(jià)指標(biāo)上來(lái)看，模糊滑模的控制效果要優(yōu)于PID控制，模糊滑模PID比模糊滑模控制具有更好的控制效果。3種主動(dòng)控制方法都有效地改善了弓網(wǎng)間接觸力的波動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

列車弓網(wǎng)關(guān)系的穩(wěn)定直接影響列車的安全運(yùn)行。而弓網(wǎng)間接觸力的穩(wěn)定則尤為關(guān)鍵。比較上述3種控制算法結(jié)合接觸力評(píng)價(jià)指標(biāo)可以得出結(jié)論：對(duì)于列車弓網(wǎng)系統(tǒng)，施加主動(dòng)控制能夠極大提高弓網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)比分析3種控制器可發(fā)現(xiàn)，PID、模糊滑?？刂萍澳：Ｗ赃m應(yīng)PID的控制效果依次提高。為研究高效智能的弓網(wǎng)主動(dòng)控制系統(tǒng)提供科學(xué)理論依據(jù)。

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