CN107395081A - 一种重载机车滑模极值搜索最优粘着控制***及方法 - Google Patents

一种重载机车滑模极值搜索最优粘着控制***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种重载机车滑模极值搜索最优粘着控制***及方法，可实现重载机车粘着控制。其中所述重载机车粘着控制模块，包括：超螺旋滑模控制器、微分***、负载转矩和粘着系数观测器、滑模极值搜索单元可实现重载机车牵引电机转矩的动态闭环控制。在重载机车电机模型矢量控制基础上，结合滑模极值搜索方法，设计粘着系数观测器，实时估测出轮轨粘着系数，使机车在外界复杂环境下运行于最佳粘着点附近，有效发挥了牵引电机功率，实现了重载机车的最优粘着控制，可广泛应用于重载机车最优粘控制的场合。

Description

一种重载机车滑模极值搜索最优粘着控制***及方法
技术领域
本发明提供了一种重载机车粘着控制***及方法，尤其涉及了一种重载机车滑模极值搜索最优粘着控制方法。
背景技术
随着我国货运运输量的不断增加，重载铁路运输发挥着越来越重要的作用。重载铁路运输相对客运列车相比，要求重载机车能够提供更大的牵引力和制动力，机车牵引力和制动力是靠机车轮对和钢轨间接触面之间的粘着力实现的。若外界环境突变，会导致粘着利用率下降，可能会发生粘着异常，机车牵引力便会大于粘着力，机车发生空转，导致粘力不能充分利用，危害到机车运行。
滑模极值搜索控制是一种在线不断寻优方法，在不知道性能函数和搜索变量条件下，仍能使***输出最大值。运用滑膜极值搜索算法，对蠕滑速度实时寻优，控制轮轨间的粘着力获得最优值，克服重载机车在运行过程中粘着利用率偏低的实际问题，实时对重载机车转矩进行控制，实现了机车的最优粘着利用，提高了机车的牵引转矩性能。
发明内容
本发明提供了一种重载机车粘着控制***及方法，结合滑模极值搜索算法，解决重载机车最优粘着控制问题。
本发明提供了一种重载机车滑模极值搜索最优粘着控制***及方法，所述方法包括：
步骤1，设计超螺旋滑模控制器，输出控制转矩Tm；
式中，Jm为电机转动惯量，Rg为轮传动比，J为轮对转动惯量，Fμ为牵引电机产生的牵引力，M为重载机车整车重量，Fd为运行阻力，为最佳蠕滑速度微分，γ1、γ2为控制器待设计参数，σ为设计滑模面；
步骤2，由输出控制转矩Tm、负载转矩和粘着观测器计算的反馈转矩信号做差输入到转矩控制器；
步骤3，坐标变换单元根据信号采集单元的输出信号uab、ubc、iab、ibc输出dq轴电流id、iq；
步骤4，负载转矩和粘着系数观测器根据dq轴电流id、iq，轮对速度vd，计算输出转矩反馈信号形成了转矩的动态闭环控制；
步骤5，滑模极极值搜索单元根据粘着系数观测值轮对速度vd、车体速度vt，输出机车最佳蠕滑速度
步骤6，微分***根据最佳蠕滑速度计算输出最佳蠕滑速度微分值
步骤7，根据控制器输出输出dq电压信号uα、uβ，产生三相占空比可调的SVPWM调制波，SVPWM输出信号作为三相桥式逆变电路的开关通断控制信号。
进一步的，步骤4的具体过程为：
步骤4.1，设计全维状态观测器，满足：
计算可得其中，ωm为电机角速度，W重载机车轴重，g为重力加速度；
步骤4.2，由电机负载转矩计算粘着系数
进一步的，步骤5的具体过程为：
步骤5.1，给定常数p，定义滑模面s(t)＝μ(vs)-g(t)，其中g(t)为参考函数；
步骤5.2，最佳蠕滑速度一阶导数定义为其中，k、β为设计常数；
步骤5.3，根据最佳蠕滑速度最佳蠕滑速度微分轮对速度vd、车体速度vt，设计控制律
步骤5.4，由控制转矩Tm控制机车模型，输出粘着系数y＝μ(vs)，输出函数y随着g(t)的变化而变化，从而使***输入蠕滑速度vs向极值点运动，最后收敛到极值点的一个邻域内。
本发明另一方面提供一种重载机车粘着控制***，所述***包括：包括重载机车粘着控制模块。所述重载机车粘着控制模块包括超螺旋滑模控制器、微分***、负载转矩和粘着系数观测器、滑模极值搜索单元。负载转矩和粘着系数观测器输出端与滑模极值搜索单元输入端连接；微分***输出端与超螺旋滑模控制器输入端连接。
其中，超螺旋滑模控制器，根据司机手柄转矩给定、最佳蠕滑速度给定值、最佳蠕滑速度给微分信号、轮对速度、车体速度、粘着系数观测值获取控制转矩。
负载转矩和粘着系数观测器，根据坐标变换输入的电流信号负载和粘着系数观测器根据坐标变换输入的电流信号、轮对速度，计算输出牵引电负载转矩信号，控制转矩和牵引电负载转矩做差输入到控制器。
进一步的，超螺旋滑模控制器，滑模极值搜索单元输出端和微分***连接；分***输出端与超螺旋滑模控制器连接，形成重载机车牵引电机转矩的动态闭环控制。
进一步的，负载转矩和粘着系数观测器包括牵引电机转矩计算单元、速度传感器和电机位置观测单元、负载转矩观测器、粘着系数观测器。牵引电机转矩计算单元、速度传感器和电机位置观测单元输出端和负载转矩计算单元连接；载转矩观测器输出端和粘着系数观测器连接。
本实施例提供的一种重载机车粘着控制***及方法，可实现重载机车最优控制。运用滑膜极值搜索算法，设计粘着系数观测器，实时估测出轮轨粘着系数，使机车在外界复杂环境下运行于最佳粘着点附近，有效发挥了牵引电机功率，实现了重载机车的最优粘着控制，可广泛应用于重载机车粘控制的场合。
附录图说明
图1为重载机车粘着控制模块流程示意图
图2为根据本发明实施例一的重载机车滑模极值搜索最优粘着控制方法结构示意图
图3为根据本发明实施例二的重载机车粘着控制模块图
图4为根据本发明实施例三的滑模极值搜索算法原理图
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例一
图1为实施例一的重载机车粘着控制模块流程示意图，所述方法包括如下步骤，包括：
步骤1，设计超螺旋滑模控制器，输出控制转矩Tm；
式中，Jm为电机转动惯量，Rg为轮传动比，J为轮对转动惯量，Fμ为牵引电机产生的牵引力，M为重载机车整车重量，Fd为运行阻力，为最佳蠕滑速度估测值微分，γ1、γ2为控制器待设计参数，σ为设计滑模面；
步骤2，由输出控制转矩Tm、负载转矩和粘着观测器计算的反馈转矩信号做差输入到控制器；
步骤3，坐标变换单元根据信号采集单元的输出信号uab、ubc、iab、ibc,输出dq轴电流id、iq；
步骤4，负载转矩和粘着系数观测器根据dq轴电流id、iq，轮对速度vd，计算输出转矩反馈信号形成了转矩的动态闭环控制；
步骤5，滑模极极值搜索单元根据粘着系数观测值轮对速度vd、车体速度vt，输出机车最佳蠕滑速度
步骤6，微分***根据最佳蠕滑速度计算输出最佳蠕滑速度微分值
步骤7，根据控制器输出输出dq电压信号uα、uβ，产生三相占空比可调的SVPWM调制波，作为三相桥式逆变电路的开关通断控制信号；
进一步的，步骤4的具体过程为：
步骤4.1，设计全维状态观测器，满足：
计算可得其中，ωm为电机角速度，W重载机车轴重，g为重力加速度；
步骤4.2，由电机负载转矩计算粘着系数
进一步的，步骤5的具体过程为：
步骤5.1，给定常数p，定义滑模面s(t)＝μ(vs)-g(t)，其中g(t)为参考函数；
步骤5.2，最佳蠕滑速度一阶导数定义为其中，k、β为设计常数；
步骤5.3，根据最佳蠕滑速度最佳蠕滑速度微分轮对速度vd、车体速度vt，设计控制律
步骤5.4，由控制转矩Tm控制机车模型，输出粘着系数y＝μ(vs)，输出函数y随着g(t)的变化而变化，从而使***输入蠕滑速度vs向极值点运动，最后收敛到极值点的一个邻域内。
实施例二
本实施例的重载机车滑模极值搜索最优粘着控制方法用于执行上述重载机车粘着控制。图2为根据本发明实施例二的整体结构示意图，具体包括：三相电源1、整流电路2、三相桥式逆变电路3、信号采集单元4、永磁同步电机PMSM5、坐标变换单元6、电压空间矢量SVPWM 7、控制器8、重载机车粘着控制模块9、司机手柄转矩给定10、轮速和车速信号采集单元11。
具体的，由三相电源给整流电路供电，整流电路输出作为三相桥式逆变电路的输入。信号采集单元采集逆变电路输出的大电流，大电压，从而获取小电压，小电流信号，作为坐标变换单元的输入。坐标变换单元根据信号采集单元的输入信号uab、ubc、iab、ibc输出dq轴电流id、iq。负载转矩和粘着系数观测器根据坐标变换输入的轴dq的电流信号、轮对速度vd，计算得到电机反馈转矩根据轮速和车速信号采集单元得到轮对速度vd和车体速度vt信号，输入到滑模极值搜索单元。滑模极值搜索单元搜索到最佳蠕滑速度输入到微分***。超螺旋滑模控制器根据输入信号最佳蠕滑速度给定值最佳蠕滑速度微分信号轮对速度vd、车体速度vt、粘着系数观测值计算得到输出控制转矩Tm，输出控制转矩Tm和粘着观测器计算的反馈转矩信号做差输入到控制器。控制器输出输出αβ电压信号uα、uβ，产生三相占空比可调的SVPWM调制波，SVPWM输出信号作为三相桥式逆变电路的开关通断控制信号。
实施例三
本实施例是在实施例一、二的基础上进行的补充说明。
图3为本发明实施例三的重载机车粘着控制模块图，所述重载机车粘着控制模块包括：负载转矩和粘着系数观测器、超螺旋滑模控制器、滑模极极值搜索单元。
具体的，负载转矩和粘着系数观测器，根据dq轴电流id、iq信号，输入到牵引电机转矩计算单元计算得到电机电磁转矩Te。速度传感器和电机位置观测单元根据dq轴电流id、iq信号，输出电机角速度ωm。负载转矩观测器根据电机角速度ωm和电机电磁转矩Te，计算得到负载估测转矩粘着系数观测器根据负载估测转矩计算得到粘着系数观测值并发送给滑模极极值搜索单元。
进一步的，超螺旋滑模控制器根据司机手柄转矩给定、输入信号最佳蠕滑速度给定值最佳蠕滑速度微分信号轮对速度vd、车体速度vt、粘着系数观测值计算得到输出控制转矩Tm，输出控制转矩Tm。滑模极极值搜索单元根据粘着系数观测值输出机车最佳蠕滑速度微分***根据最佳蠕滑速度计算输出最佳蠕滑速度微分值
实施例四
本实施例是在实施例一、二、三的基础上进行的补充说明。
图4为根据本发明实施例四的重载机车滑模极值搜索最优粘着控制方法的滑模极值搜索原理示意图。由图4知，滑模极值搜索实现步骤如下：
步骤1，给定常数p，定义滑模面s(t)＝μ(vs)-g(t)，其中g(t)为参考函数。
步骤2，最佳蠕滑速度一阶导数定义为其中，k、β为设计常数。
步骤3，根据最佳蠕滑速度最佳蠕滑速度微分轮对速度vd、车体速度vt，设计控制律
步骤4，由控制转矩Tm控制机车模型，输出粘着系数y＝μ(vs)，输出函数y随着g(t)的变化而变化，从而使***输入蠕滑速度vs向极值点运动，最后收敛到极值点的一个邻域内。
本发明提供的重载机车滑模极值搜索最优粘着控制***及方法，应用滑模极值搜索算法搜索出变化轨面的最佳蠕滑速度。针对机车实际粘着利用率偏低的问题，提高了机车的实际牵引转矩和控制性能，有效发挥了机车的牵引功率。虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (6)

1.一种重载机车滑模极值搜索最优粘着控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，设计超螺旋滑模控制器，输出控制转矩Tm
<mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>J</mi> <mi>m</mi> </msub> <msub> <mi>R</mi> <mi>g</mi> </msub> </mrow> <mi>r</mi> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <msub> <mi>J</mi> <mi>m</mi> </msub> <msubsup> <mi>R</mi> <mi>g</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>F</mi> <mi>&amp;mu;</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>M</mi> </mfrac> <msub> <mi>F</mi> <mi>&amp;mu;</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>M</mi> </mfrac> <msub> <mi>F</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>+</mo> <msubsup> <mover> <mi>v</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>s</mi> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;gamma;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>|</mo> <mi>&amp;sigma;</mi> <msup> <mo>|</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> </msup> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>g</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;sigma;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;gamma;</mi> <mn>2</mn> </msub> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mrow> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>t</mi> </msubsup> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>g</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;sigma;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>&amp;tau;</mi> </mrow>
式中，Jm为电机转动惯量，Rg为轮传动比，J为轮对转动惯量，Fμ为牵引电机产生的牵引力，M为重载机车整车重量，Fd为运行阻力，为最佳蠕滑速度微分值，γ1、γ2为控制器待设计参数，σ为设计滑模面；
步骤2，由输出控制转矩Tm、负载转矩和粘着观测器计算的反馈转矩信号做差输入到控制器；
步骤3，坐标变换单元根据信号采集单元的输出信号uab、ubc、iab、ibc输出dq轴电流id、iq；
步骤4，负载转矩和粘着系数观测器根据dq轴电流id、iq，轮对速度vd，计算输出转矩反馈信号形成电机转矩的动态闭环控制；
步骤5，滑模极极值搜索单元根据粘着系数观测值轮对速度vd、车体速度vt，输出机车最佳蠕滑速度
步骤6，微分***根据最佳蠕滑速度计算输出最佳蠕滑速度微分值
步骤7，根据控制器输出输出αβ电压信号uα、uβ，产生三相占空比可调的SVPWM调制波，SVPWM输出信号作为三相桥式逆变电路的开关通断控制信号。
2.根据权利要求1所述重载机车滑模极值搜索最优粘着控制方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程为：
步骤4.1，设计负载转矩全维状态观测器，满足：
<mrow> <mfenced open = "(" close = ")"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mover> <mover> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>m</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mover> <mover> <mi>T</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>L</mi> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>=</mo> <mfenced open = "(" close = ")"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>p</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>J</mi> <mi>m</mi> </msub> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>J</mi> <mi>m</mi> </msub> <msub> <mi>p</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mfenced open = "(" close = ")"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mover> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>m</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mover> <mi>T</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>L</mi> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>+</mo> <mfenced open = "(" close = ")"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>p</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>J</mi> <mi>m</mi> </msub> </mfrac> </mrow> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>J</mi> <mi>m</mi> </msub> <msub> <mi>p</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mfenced open = "(" close = ")"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>m</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>T</mi> <mi>L</mi> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>+</mo> <mfenced open = "(" close = ")"> <mtable> <mtr> <mtd> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>J</mi> <mi>m</mi> </msub> </mfrac> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <msub> <mi>T</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>,</mo> </mrow>
计算可得其中，ωm为电机角速度，W重载机车轴重，g为重力加速度；
步骤4.2，由电机负载转矩计算粘着系数
3.根据权利要求1所述重载机车滑模极值搜索最优粘着控制方法，其特征在于，所述步骤5的具体过程为：
步骤5.1，给定常数p，定义滑模面s(t)＝μ(vs)-g(t)，其中g(t)为参考函数；
步骤5.2，最佳蠕滑速度一阶导数定义为其中k、β为设计常数；
步骤5.3，根据最佳蠕滑速度最佳蠕滑速度微分轮对速度vd、车体速度vt，设计控制律
步骤5.4，由控制转矩Tm控制机车模型，输出粘着系数y＝μ(vs)，输出函数y随着g(t)的变化而变化，从而使***输入蠕滑速度vs向极值点运动，最后收敛到极值点的一个邻域内。
4.一种重载机车滑模极值搜索最优粘着控制***，其特征在于，包括重载机车粘着控制模块。所述重载机车粘着控制模块包括超螺旋滑模控制器、微分***、负载转矩和粘着系数观测器、滑模极值搜索单元。负载转矩和粘着系数观测器输出端与滑模极值搜索单元输入端连接；微分***输出端与超螺旋滑模控制器输入端连接。
其中，超螺旋滑模控制器，根据司机手柄转矩给定、最佳蠕滑速度给定值、最佳蠕滑速度给微分信号、轮对速度、车体速度、粘着系数观测值获取控制转矩。
负载转矩和粘着系数观测器，根据坐标变换输入的电流信号负载和粘着系数观测器根据坐标变换输入的电流信号、轮对速度，计算输出牵引电负载转矩信号，控制转矩和牵引电负载转矩做差输入到控制器。
5.权利要求4所述重载机车滑模极值搜索最优粘着控制***，其中所述的超螺旋滑模控制器，滑模极值搜索单元输出端和微分***连接；分***输出端与超螺旋滑模控制器连接。
6.据权利要求4所述重载机车滑模极值搜索最优粘着控制***，其中所述的负载转矩和粘着系数观测器包括牵引电机转矩计算单元、速度传感器和电机位置观测单元、负载转矩观测器、粘着系数观测器。牵引电机转矩计算单元、速度传感器和电机位置观测单元输出端和负载转矩计算单元连接；载转矩观测器输出端和粘着系数观测器连接。
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