CN108791324B - 一种重载机车牵引总量一致***及控制分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于自适应控制***技术领域，公开了一种重载机车牵引总量一致***及控制分配方法，建立多电机***的数学模型；基于多电机***的数学模型构造Super‑Twisting算法的滑模控制器，对多电机***的电磁转矩进行控制；采用类二次型函数判别一般二阶Super‑Twisting算法稳定性，并给出有效收敛时间；建立电机发生故障下的机车横摆模型；基于机车横摆模型设计重构控制分配器，对电磁转矩进行重新分配。本发明通过充分利用牵引电机动力冗余，进行动力再分配，达到最优化利用机车所能产生牵引力，在可调的有限时间内维持机车牵引力与电机发生故障前保持恒定；能够提高机车牵引***的可靠性和机车行驶时稳定性和安全性。

Description

一种重载机车牵引总量一致***及控制分配方法

技术领域

本发明属于自适应控制***技术领域，尤其涉及一种重载机车牵引总量一致***及控制分配方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：重载机车的安全性和可靠性备受关注，作为影响机车安全性最为关键部件之一的电机牵引***，由于其所处环境多变等各种复杂因素，存在很多潜在故障，例如轨道环境由干燥向潮湿改变，机车粘着系数会发生改变，导致机车牵引力发生改变；机车在运行过程中会发生轴重转移，轴重减少最多的轮对最先发生空转，进而使机车牵引力损失。

一旦电机***出现故障，不可能在短时间内维修处理，可能会导致机车牵引不足，使机车不能正常运行，由此可能会造成很大的经济损失。

现阶段采取的措施大多利用牵引特性控制结合重联控制进行牵引力的动态分配，即全车的牵引力由操作车的中央控制单元根据牵引特性进行计算，然后分配给每个转向架，当某一转向架因故障丧失牵引力时，其他转向架电机在功率富裕的情况下均分该转向架丧失的牵引力，并对全车牵引力变化进行限制，调整全车加速性能在合适范围内，以达到运行平稳。但是，现有技术很难保证牵引力完全均分，可能导致未发生空转的轮对发生空转，给行车安全带来很大隐患。

所以，当电机牵引***中某一台电机出现故障时，如何重新分配牵引电机出力，使得在可调的有限时间内维持机车牵引力与电机发生故障前保持恒定，保证机车正常平稳运行的问题急需解决。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)机车所处环境多变，存在很多潜在故障，导致机车牵引力发生改变。

(2)一旦电机***出现故障，不可能在短时间内维修处理，可能会导致机车牵引不足，使机车不能正常运行，由此可能会造成很大的经济损失。

(3)现阶段采取的措施大多利用牵引特性控制结合重联控制进行牵引力的动态分配，很难保证牵引力完全均分。

解决上述技术问题的难度和意义：现有技术很难保证牵引力完全均分，可能导致未发生空转的轮对发生空转，给行车安全带来很大隐患。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种重载机车牵引总量一致***及控制分配方法。

本发明是这样实现的，一种机车牵引力总量控制方法，所述机车牵引力总量控制方法将总量恒定转化为误差***有限时间内收敛问题，

式中T_em为m台电机总输出转矩，T_e ^*为司控手柄给定转矩。

进一步，所述机车牵引力总量控制方法包括：

步骤一，建立多电机***的数学模型；

步骤二，基于多电机***的数学模型构造Super-Twisting算法的滑模控制器，对多电机***的电磁转矩进行控制；

步骤三，采用类二次型函数判别一般二阶Super-Twisting算法稳定性，并给出有效收敛时间；

步骤四，建立电机发生故障下的机车横摆模型；

步骤五，基于机车横摆模型设计重构控制分配器，对电磁转矩进行重新分配。

进一步，所述步骤一中多电机***的数学模型为；

式中：R_m为第m台电机定子电阻；u_rm＝u_dm+ju_qm，为定子电压空间矢量；ω_em为电角速度；i_rm＝i_dm+ji_qm，为定子电流空间矢量；ψ_rm＝ψ_dm+jψ_qm，为定子磁链空间矢量；ψ_fm为永磁体磁链；L_rm为定子电感；T_em为电磁转矩；p_0m为电机极对数。

进一步，所述步骤二中基于多电机***的数学模型构造Super-Twisting算法的滑模控制器，对多电机***的电磁转矩进行控制；q轴参考电压

现设计的转矩控制器模型为：

式中

定义为转矩偏差，其中T_e ^*为实际值，T_e为测量值，/>

为q轴参考电压，u_sq为控制器输入。

进一步，所述步骤三中一般二阶Super-Twisting算法的表达式为：

其中x,y分别为控制器的输入、输出变量，α,β为增益系数。

进一步，所述步骤四中建立电机发生故障下的机车横摆模型；

式中m为牵引机车质量，α为侧滑角，γ为横摆角速度，V为轮对速度，I_z为横摆转动惯量，t_r为机车轮对之间轴长，l_a、l_b分别为机车前后轮对与重心之间的距离，F_xi为发生侧滑时动车轮所受牵引力，F_yi为发生侧滑时产生的侧向力。

进一步，所述步骤五中基于机车横摆模型设计重构控制分配器，对电磁转矩进行重新分配；

min{μ||w_u(u-u_d)||²+(1-μ)||w_v(Bu-v)||²}；

控制分配问题转变为

u＝(F_x1,F_x2,F_x3,F_x4)^T为各电机所需分配的牵引力，且u满足约束条件u_min＜u＜u_max，w_u,w_v分别为牵引力F_xi和横摆力矩M的加权矩阵；

其中

根据加权最小二乘控制分配方法得到各电机故障重构后的牵引力，然后通过牵引力与电磁转矩之间的换算关系得到各电机所需分配的转矩。

进一步，所述重构控制分配器包括以下步骤：

步骤一，上层控制***生成期望的总控制伪指令，传递给中层的控制分配模块；

步骤二，控制分配模块接受指令后开始设计控制分配律，然后输出给下层的作动器；

步骤三，在作动器发生故障时，利用故障前中层设计好的控制率完成重构控制。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述机车牵引力总量控制方法的重载机车牵引总量一致***，所述重载机车牵引总量一致***设置有：

第一永磁同步牵引电机、第二永磁同步牵引电机、第三永磁同步牵引电机、第四永磁同步牵引电机；

第一永磁同步牵引电机、第二永磁同步牵引电机、第三永磁同步牵引电机、第四永磁同步牵引电机分别单独控制第一独立旋转车轮、第二独立旋转车轮、第三独立旋转车轮、第四独立旋转车轮；

第一转矩传感器、第二转矩传感器、第三转矩传感器、第四转矩传感器，用于实时获取各电机转矩信息；

横摆控制器位于机车重心位置，与横摆控制器相连，用于控制机车横摆；

重构控制分配器分别与第一转矩传感器、第二转矩传感器、第三转矩传感器、第四转矩传感器、横摆控制器相连，用于机车故障时对牵引力重新分配；

加法器将第一转矩传感器、第二转矩传感器、第三转矩传感器、第四转矩传感器测得的数据进行相加，得到总输出转矩。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述机车牵引力总量控制方法的重载机车。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：针对在行驶过程中牵引电机发生故障，牵引力变化导致机车发生侧滑问题，通过重构控制器实时解决牵引电机失效的突发情况，充分利用动力冗余，进行动力再分配，以达到最优化利用电机所能产生的牵引力，并在期望的时间内维持机车牵引力与故障前保持恒定，提高了牵引***的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的重载机车牵引总量一致***的结构示意图；

图中：1、第一永磁同步牵引电机；2、第二永磁同步牵引电机；3、第三永磁同步牵引电机；4、第四永磁同步牵引电机；5、第一独立旋转车轮；6、第二独立旋转车轮；7、第三独立旋转车轮；8、第四独立旋转车轮；9、第一转矩传感器；10、第二转矩传感器；11、第三转矩传感器；12、第四转矩传感器；13、重构控制分配器；14、横摆控制器；15、加法器。

图2是本发明实施例提供的基于加权最小二乘控制分配的机车牵引力总量控制方法的控制框图。

图3是本发明实施例提供的机车起动到正常运行过程中，多电机***转矩变化图。

图4是本发明实施例提供的机车正常运行到进行故障重构过程中，多电机***转矩变化图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明充分利用动力冗余，进行动力再分配，以达到最优化利用电机所能产生的牵引力，并在期望的时间内维持机车牵引力与故障前保持恒定，提高了牵引***的稳定性和可靠性。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的重载机车牵引总量一致***包括：第一永磁同步牵引电机1、第二永磁同步牵引电机2、第三永磁同步牵引电机3、第四永磁同步牵引电机4、第一独立旋转车轮5、第二独立旋转车轮6、第三独立旋转车轮7、第四独立旋转车轮8、第一转矩传感器9、第二转矩传感器10、第三转矩传感器11、第四转矩传感器12、重构控制分配器13、横摆控制器14、加法器15。

第一永磁同步牵引电机1、第二永磁同步牵引电机2、第三永磁同步牵引电机3、第四永磁同步牵引电机4分别单独控制第一独立旋转车轮5、第二独立旋转车轮6、第三独立旋转车轮7、第四独立旋转车轮8；

第一转矩传感器9、第二转矩传感器10、第三转矩传感器11、第四转矩传感器12实时获取各电机转矩信息；

横摆控制器14位于机车重心位置，与横摆控制器14相连，用于控制机车横摆；

重构控制分配器13分别与第一转矩传感器9、第二转矩传感器10、第三转矩传感器11、第四转矩传感器12、横摆控制器14相连，用于机车故障时对牵引力重新分配；

加法器15将第一转矩传感器9、第二转矩传感器10、第三转矩传感器11、第四转矩传感器12测得的数据进行相加，得到总输出转矩。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图2所示，本发明实施例提供的基于加权最小二乘控制分配的机车牵引力总量控制方法，包括以下步骤：

步骤1)，建立多电机***的数学模型；

式中：R_m为第m台电机定子电阻；u_rm＝u_dm+ju_qm，为定子电压空间矢量；ω_em为电角速度；i_rm＝i_dm+ji_qm，为定子电流空间矢量；ψ_rm＝ψ_dm+jψ_qm，为定子磁链空间矢量；ψ_fm为永磁体磁链；L_rm为定子电感；T_em为电磁转矩；p_0m为电机极对数。

假设永磁体磁链ψ_fm不变，则可以推出

步骤2)，基于多电机***的数学模型构造Super-Twisting算法的滑模控制器，对多电机***的电磁转矩进行控制；

式中

定义为转矩偏差，其中T_e ^*为实际值，T_e为测量值。

步骤3)所述的一般二阶Super-Twisting算法的表达式为：

对一般二阶Super-Twisting算法的稳定性证明如下：

令

故A是Hurwitz矩阵，对任意的正定对称矩阵Q，一定存在一个正定对称矩阵P，满足A^TP+PA＝-Q，考虑二次型函数V(x,y)＝ζ^TPζ作为备选Lyapunov函数，式中

V(x,y)是连续正定函数，且径向无界。

其中V满足

由于

可以得到/>

当

时，V＝0，此时***能够收敛到原点。

步骤4)，建立电机发生故障下的机车横摆模型；

式中m为牵引机车质量，α为侧滑角，γ为横摆角速度，V为轮对速度，I_z为横摆转动惯量，t_r为机车轮对之间轴长，l_a、l_b分别为机车前后轮对与重心之间的距离，F_xi为发生侧滑时动车轮所受牵引力，F_yi为发生侧滑时产生的侧向力。

步骤5)，基于机车横摆模型设计重构控制分配器，对电磁转矩进行重新分配；

当某台电机出现故障时，线性模型为

K为执行器的效率矩阵，用来表示电机的有效水平，K＝diag{k₁,k₂,k₃,k₄}；

对于第i台电机，k_i＝0表示电机完全失效，牵引力靠其它电机提供；0＜k_i＜1表示电机部分失效，该电机分配部分牵引力，少的部分靠其它电机弥补；k_i＝1表示电机正常运行，所有电机合理均分牵引力。只要K矩阵已知，即电机是否正常工作的状态已知，就可通过基于加权最小二乘控制分配算法解决多电机出现故障，如何对牵引力进行冗余分配问题。

基于加权最小二乘法控制分配算法如下：

min{μ||w_u(u-u_d)||²+(1-μ)||w_v(Bu-v)||²}；

最终控制分配问题可以转变为

u＝(F_x1,F_x2,F_x3,F_x4)^T为各电机所需分配的牵引力，且u满足约束条件u_min＜u＜u_max，w_u,w_v分别为牵引力F_xi和横摆力矩M的加权矩阵。

其中

根据加权最小二乘控制分配方法可以得到各电机故障重构后的牵引力，然后通过牵引力与电磁转矩之间的换算关系得到各电机所需分配的转矩。使得总转矩与故障前总转矩保持一致。

下面结合实验对本发明的应用效果做详细的描述。

为验证本发明提出的一种基于加权最小二乘控制分配的机车牵引力总量控制方法即***的可用性及精确性，以下结合一个实施例对上述方法及***进行验证：

采用初始转矩给定1.5N.m作为电机参考转矩，本次仿真中p₀＝4，R_s1＝2.2Ω，L_s1＝8.8mH，ψ_f1＝0.174Wb，J₁＝0.0007，R_s1＝2.3Ω，L_s1＝8.5mH，ψ_f1＝0.176Wb，J₁＝0.0006，R_s1＝2.4Ω，L_s1＝8.7mH，ψ_f1＝0.175Wb，J₁＝0.0005，R_s1＝2.5Ω，L_s1＝8.6mH，ψ_f1＝0.173Wb，J₁＝0.0008。验证所设计的重构控制分配器在电机发生故障时的控制效果。

图3表明了电机从起动到正常运行，电机1,2,3,4的输出转矩均从0变化到1.5N.m，总输出转矩

图4表明当t0.8S时，电机1出现故障，输出转矩由1.5N.m变化到1.05N.m，这时重构控制器会根据加权最小二乘算法重新分配输出转矩，电机2,3,4的输出转矩会由1.5N.m变化到1.65N.m，以保证总输出转矩不变。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种机车牵引力总量控制方法，其特征在于，所述机车牵引力总量控制方法将总量恒定转化为误差***有限时间内收敛问题，

式中T_em为m台电机总输出转矩，T_e ^*为司控手柄给定转矩；

所述机车牵引力总量控制方法包括：

步骤一，建立多电机***的数学模型；

式中：R_m为第m台电机定子电阻；u_rm＝u_dm+ju_qm，为定子电压空间矢量；ω_em为电角速度；i_rm＝i_dm+ji_qm，为定子电流空间矢量；ψ_rm＝ψ_dm+jψ_qm，为定子磁链空间矢量；ψ_fm为永磁体磁链；L_rm为定子电感；T_em为电磁转矩；p_0m为电机极对数；

步骤二，基于多电机***的数学模型构造Super-Twisting算法的滑模控制器，对多电机***的电磁转矩进行控制；

式中

定义为转矩偏差，其中T_e ^*为实际值，T_e为测量值；

步骤三，采用类二次型函数判别一般二阶Super-Twisting算法稳定性，并给出有效收敛时间；

一般二阶Super-Twisting算法的表达式为：

步骤四，建立电机发生故障下的机车横摆模型；

式中m为牵引机车质量，α为侧滑角，γ为横摆角速度，V为轮对速度，I_z为横摆转动惯量，t_r为机车轮对之间轴长，l_a、l_b分别为机车前后轮对与重心之间的距离，F_xi为发生侧滑时动车轮所受牵引力，F_yi为发生侧滑时产生的侧向力；

步骤五，基于机车横摆模型设计重构控制分配器，对电磁转矩进行重新分配；

min{μ||w_u(u-u_d)||²+(1-μ)||w_v(Bu-v)||²}；

控制分配问题转变为

u＝(F_x1,F_x2,F_x3,F_x4)^T为各电机所需分配的牵引力，且u满足约束条件u_min＜u＜u_max，w_u,w_v分别为牵引力F_xi和横摆力矩M的加权矩阵；

其中

根据加权最小二乘控制分配方法得到各电机故障重构后的牵引力，然后通过牵引力与电磁转矩之间的换算关系得到各电机所需分配的转矩。

2.如权利要求1所述的机车牵引力总量控制方法，其特征在于，所述重构控制分配器包括以下步骤：

步骤一，上层控制***生成期望的总控制伪指令，传递给中层的控制分配模块；

步骤二，控制分配模块接受指令后开始设计控制分配律，然后输出给下层的作动器；

步骤三，在作动器发生故障时，利用故障前中层设计好的控制率完成重构控制。

3.一种应用权利要求1所述机车牵引力总量控制方法的重载机车牵引总量一致***，其特征在于，所述重载机车牵引总量一致***设置有：

第一永磁同步牵引电机、第二永磁同步牵引电机、第三永磁同步牵引电机、第四永磁同步牵引电机；

第一永磁同步牵引电机、第二永磁同步牵引电机、第三永磁同步牵引电机、第四永磁同步牵引电机分别单独控制第一独立旋转车轮、第二独立旋转车轮、第三独立旋转车轮、第四独立旋转车轮；

第一转矩传感器、第二转矩传感器、第三转矩传感器、第四转矩传感器，用于实时获取各电机转矩信息；

横摆控制器位于机车重心位置，与横摆控制器相连，用于控制机车横摆；

重构控制分配器分别与第一转矩传感器、第二转矩传感器、第三转矩传感器、第四转矩传感器、横摆控制器相连，用于机车故障时对牵引力重新分配；

加法器将第一转矩传感器、第二转矩传感器、第三转矩传感器、第四转矩传感器测得的数据进行相加，得到总输出转矩。

4.一种应用权利要求1～2任意一项所述机车牵引力总量控制方法的重载机车。

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