[發(fā)明專利]一種基于狀態(tài)估計(jì)的高速鐵路受電弓魯棒預(yù)測控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010151082.5
• 申請日: 2020-03-06
• 公開（公告）號: CN111367173B
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張靜;宋寶林;謝松霖;劉志剛
• 申請（專利權(quán)）人: 西南交通大學(xué)
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05D15/01;B60L5/18
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責(zé)任公司 51200
• 代理人: 卓仲陽

本發(fā)明公開了一種基于狀態(tài)估計(jì)的高速鐵路受電弓魯棒預(yù)測控制方法，具體為：建立非線性受電弓?接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型；構(gòu)建面向控制的受電弓?接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型，得到受電弓?接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型下的狀態(tài)空間方程；加入過程噪聲和測量噪聲，得到面向估計(jì)的離散狀態(tài)方程；確定受電弓主動控制目標(biāo)，在受電弓?接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型狀態(tài)空間方程的基礎(chǔ)上，將接觸力跟蹤誤差的積分增廣至弓網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)空間方程中，得到增廣后的受電弓?接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型下的狀態(tài)空間方程；再設(shè)計(jì)魯棒預(yù)測控制器；結(jié)合估計(jì)結(jié)果，得到主動控制力。本發(fā)明通過非線性受電弓?接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型，研究了魯棒預(yù)測控制方法的有效性；且控制方法在不同的工況下控制性能依舊良好。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于受電弓主動控制技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于狀態(tài)估計(jì)的高速鐵路受電弓魯棒預(yù)測控制方法。

背景技術(shù)

目前，高速列車普遍采用電力牽引方式。受電弓是安裝在高速列車上的一種從接觸網(wǎng)上集取電流的專用設(shè)備，因此受電弓和接觸網(wǎng)之間平穩(wěn)的接觸狀態(tài)是保證列車受流質(zhì)量優(yōu)良的關(guān)鍵。在高速列車受流質(zhì)量的評價(jià)體系中，接觸力是其非常重要的指標(biāo)。隨著高速列車速度的提升，受電弓與接觸網(wǎng)之間的復(fù)雜耦合振動會更加劇烈，體現(xiàn)在接觸力的波動變大，受流質(zhì)量急劇變差，脆弱的弓網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)成為高速列車舒適性和可靠性提升的嚴(yán)重障礙。當(dāng)接觸力波動幅度過大時(shí)，弓網(wǎng)系統(tǒng)容易出現(xiàn)離線、燃弧等現(xiàn)象，使得受流質(zhì)量變差，受電弓也容易出現(xiàn)故障損壞。接觸力過大時(shí)，既加重了受電弓滑板的磨損，同時(shí)也增加了弓網(wǎng)運(yùn)營維修成本。針對弓網(wǎng)接觸力波動的問題，學(xué)者們提出受電弓主動控制方法以減小弓網(wǎng)接觸力的波動，提高高速列車弓網(wǎng)受流質(zhì)量。相較于LQR最優(yōu)控制策略，對期望弓網(wǎng)接觸壓力均值的有更好的跟蹤效果。

發(fā)明內(nèi)容

為了在受電弓主動控制中，減少弓網(wǎng)接觸力的波動，且利用弓網(wǎng)接觸力差值的積分和受電弓的狀態(tài)信息進(jìn)行控制，本發(fā)明提供了一種基于狀態(tài)估計(jì)的高速鐵路受電弓魯棒預(yù)測控制方法。

一種基于狀態(tài)估計(jì)的高速鐵路受電弓魯棒預(yù)測控制方法，具體步驟為：

步驟A：建立非線性受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型；

步驟B：根據(jù)所述非線性受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型，構(gòu)建面向控制的受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型，得到受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型下的狀態(tài)空間方程；

步驟C：在步驟B的狀態(tài)空間方程的基礎(chǔ)上，加入過程噪聲和測量噪聲，得到面向估計(jì)的離散狀態(tài)方程；

步驟D：確定受電弓主動控制目標(biāo)，在步驟B的受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型狀態(tài)空間方程的基礎(chǔ)上，將接觸力跟蹤誤差的積分增廣至弓網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)空間方程中，得到增廣后的受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型下的狀態(tài)空間方程；

步驟E：根據(jù)步驟D的狀態(tài)空間方程，設(shè)計(jì)魯棒預(yù)測控制器；結(jié)合估計(jì)結(jié)果，得到主動控制力。

進(jìn)一步的，步驟A具體如下：

受電弓的動力學(xué)方程為：

式中：m₁、m₂和m₃分別表示受電弓弓頭、上框架、下框架的質(zhì)量，k₁、k₂和k₃分別表示受電弓弓頭、上框架、下框架的剛度，c₁、c₂和c₃分別表示受電弓弓頭、上框架、下框架的阻尼。x₁、x₂和x₃分別表示受電弓弓頭、上框架、下框架的位移，和分別表示受電弓弓頭、上框架、下框架的速度，和分別表示受電弓弓頭、上框架、下框架的加速度，F(xiàn)_pc表示弓網(wǎng)之間的動態(tài)接觸力，F(xiàn)_l表示靜態(tài)抬升力，u表示主動控制力。

接觸網(wǎng)的動力學(xué)方程為：