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公铁两用纯电动车的多电机协控系统设计

时间:2020-09-16 10:36作者:王珏
本文导读:这是一篇关于公铁两用纯电动车的多电机协控系统设计的文章,本文首先以纯电动四轮驱动四轮转向(4D4S:four drive four steering)公铁两用车为研究对象,分析其工作原理和车辆特性,设计了电气控制系统,并构建了永磁同步电机的数学模型和转向系统的运动学方程。
  摘  要
  
  随着当前高速铁路和地铁车辆的运营里程的迅速增加,轨道车辆服役保障的问题现已得到了社会各界的广泛关注。传统以调车机车牵引等方式为主的调车作业存在灵活性差的问题,柴油牵引的公铁两用车所排放的大量尾气又对环境造成一定的影响。而纯电力驱动的公铁两用车既能灵活地实现列车的无动力牵引,又不会对环境造成的危害,是未来轨道车辆服役保障车辆的发展方向之一。


公铁两用纯电动车的多电机协控系统设计
 
  
  机动性的要求使得纯电动公铁两用车在狭小的空间内要实现原地转向、对角线行驶等运行模式,若转向系统无法完成高精度的控制,将难以实现将转向中心控制在一点,极易出现侧倾的情况。因此,纯电动公铁两用车的多电机协同控制问题亟待解决。本文的主要研究内容如下:
  
  本文首先以纯电动四轮驱动四轮转向(4D4S:four drive four steering)公铁两用车为研究对象,分析其工作原理和车辆特性,设计了电气控制系统,并构建了永磁同步电机的数学模型和转向系统的运动学方程。对于多电机的同步控制,传统PID控制算法对常规被控对象的适用性极强,适合绝大多数的控制场合,但其对于耦合结构的动态特性和稳态精度均无法满足要求。为了解决上述问题,本文通过设计转角协同补偿器,构建了基于转角控制的改进型偏差耦合控制拓扑结构,可使公铁两用车转向系统的控制更稳定,但为了提高系统的控制精度和动态特性,因此引入了智能控制算法。
  
  PID控制算法的稳态性能较好,而模糊PID控制算法的响应快。为了解决模糊PID算法在高精度控制场合中稳态精度有限的缺陷,本文提出了基于转角控制的非奇异滑模算法以降低系统的稳态误差,并引入了超扭曲算法解决了抖振的问题。针对以上研究的三类控制算法,通过MATLAB/Simulink平台对多电机协同控制模型进行模拟仿真。仿真研究结果表明,三种控制算法均能很好的实现多电机的协同控制,而超扭曲非奇异滑模控制算法在控制精度、信号响应和跟随性等控制性能均好于其他两种算法。
  
  最后,将算法应用到了公铁两用车上,并进行了一系列的测试。试验分析结果表明:本研究设计的公铁两用车能实现要求的转向,对角线行驶和原地旋转行驶。同时,超扭曲非奇异滑模控制算法可很好地实现转向系统多电机的协同控制,并提高了系统的响应速度和稳态特性。本文可为纯电动公铁两用车转向系统控制策略和其他多轴协同控制系统的深入研究奠定基础。
  
  关键词:  公铁两用车;偏差耦合控制结构;模糊 PID 算法;非奇异快速终端滑模;超扭曲算法。
  
  Abstract
  
  Currently, with  the rapid  increase in the operating mileage of high-speed railway and subway vehicles, the issue of rail vehicle service guarantee has received widespread attention from all walks of life in the community. The traditional shunting operations which mainly based on shunting locomotive traction is inflexible. The large amount of exhaust gas emitted by diesel Road-rail vehicle has a certain impact on the environment. The electric Road-rail vehicles can flexibly complete the unpowered traction of the vehicles, and avoid the environmental damage caused by the Road-rail vehicles. It is one of the development directions of the rail service guarantee vehicles in the future.
  
  The requirements of mobility make it possible to implement in-situ steering, diagonal driving and other operating modes in a small space for pure electric bus and railway vehicles. If high-precision control cannot be achieved, it will be difficult to control the steering center at one point, which is extremely prone to roll. Therefore, the problem of multi-motor cooperative control of pure electric road-rail vehicles needs to be solved urgently. The main research works are as follows:
  
  Firstly,  takes  the  electric  4D4S  road-rail  vehicles  as  the  research  object,  analyzes  its working principle and vehicle characteristics, designs the electric control system, and constructs the mathematics of the permanent magnet synchronous motor and the   kinematic equations of the steering system. For the synchronous control of multiple motors, the traditional PID control algorithm  has  a  strong  applicability  to  charged  objects  which  is  suitable  for  most  control occasions.  However,  the  dynamic  characteristics  and  steady-state  accuracy  of  the  coupled structure cannot meet the requirements. In order to solve the above problems, this paper builds an improved deviation coupling control structure to stabilize multi-motor cooperative control system by designing a rotary angle co-compensator. but it is fail to improve the control accuracy and dynamic characteristics of the system, so the intelligent control algorithm is introduced.
  
  PID control algorithm has good steady-state performance .Fuzzy PID control algorithm has fast response. In order to solve the defect that the fuzzy PID algorithm has limited steady-state accuracy in high-precision control, this paper proposes a non-singular fast terminal sliding mode control algorithm based on corner control to reduce the system error, and introduces a super-twist algorithm to solve the problem of chattering. Aiming at the three types of control algorithms researched above, the multi-motor cooperative control model is simulated through the MATLAB / Simulink software. And consequents show that the three control algorithms can accomplish  the  multi-motor  cooperative  control  well.  And  the  super-twisted  non-singular  sliding mode control algorithm is better than the other two algorithms in control accuracy, dynamic characteristics and signal response following performance.
  
  Finally, the algorithm was applied to the road-rail vehicle and a series of tests were carried out. The test analysis results show that the road-rail vehicle designed in this study can achieve the required steering, diagonal driving and in-situ rotation driving. At the same time, the super-twisting non-singular sliding mode control algorithm can well realize the coordinated control of multiple motors in the steering system, and improve the response speed and steady-state characteristics of the system. This article can lay the foundation for the in-depth study of the control  strategy  of  the  pure  electric  road-rail  vehicle  steering  system  and  other  multi-axis cooperative control systems.
  
  Keywords:   Road-rail vehicle; Deviation-coupled control structure; Fuzzy PID algorithm; Non-singular fast terminal sliding mode; Super-twisting algorithm。
  
  第 1 章  绪论
 
  
  1.1、课题的背景及选题意义。

  
  在高铁以及城市轨道高速发展的新时代,人们对轨道交通快速性的要求逐步提高,轨道交通服务保障设备也越来越多地受到专业人士和社会的关注。但是,随着高铁等轨道交通运行速度的提升,反而减少了设备管理、维护和维修的时间,给线路和车辆设备的运营与维护带来不少的压力[1]。
  
  调车作业是铁路车站运输工作中一项重要的环节,主要多见于列车编组站、客运站,在规模较大的中间站也会进行调车作业;货运列车在编组站周转过程中,一般都需要进行调车作业;客运列车始发或到达时,也需要通过调车作业推进或驶离站台。调车作业是确保列车编组计划实施、保证铁路运输正常进行的一个关键环节,对铁路运输工作具有十分重要的影响。高质量的调车作业可以有效提高车站装卸工作效率,也能缩短列车在车站的停留时间。此外,调车作业的有序和快速与否,也直接影响到列车编组和车辆调配的编订与执行,为列车的行车安全提供支持。
  
  在传统的机车厂、车辆段或动车段,通常需要使用调车机车实现调车作业。调车机车的类型复杂、种类多样、牵引力大,但是调车机车仍属于轨道车的一类,无法实现公路行走,导致其运行的灵活性有限。
  
  基于调车机车在调车作业中所存在的上述问题,公铁两用车的出现则可以很好的弥补调车机车存在的短板和不足。公铁两用车能实现公路行驶,运行灵活度极高。同时,由于公铁两用车控制精度高,所以能以较大的牵引力拖动各种车辆实现不落轮镟修的高精度定位。
  
  柴油驱动公铁两用车具有牵引力大、灵活程度高、排量高、污染重、噪声大的特点。
  
  相较于纯电动公铁两用车,这类柴油驱动公铁两用车的模块化程度低、自动化程度低、污染严重,已不能适应轨道行业对牵引辅助设备高智能化、低污染的要求[2]。实际使用中的公铁两用车如图1-1所示。
  
   
  
  因此,针对当前调车作业设备匮乏的现状,本研究意在设计一款纯电动公铁两用牵引车,以方便车辆入库和不落轮镟等调车作业。
  
  本研究所设计的纯电动公铁两用车使用八台电机分别控制车辆的驱动和转向,即四台驱动电机、四台转向电机。并基于CAN总线监控方案,实现对整车的集中监控。多台电机独立转向的结构特性,要求能够实现协同控制,并在不同的工况和转向模式下,转向角快速精准到位,否则有可能使公铁两用车的转向出现偏移或倾斜,严重影响操作人员的安全。对于多电机高精度协同控制的问题,一直是电机控制工程实践领域的难题。
  
  本研究通过智能控制算法将多台电机进行协同控制以实现对纯电动公铁两用牵引车转向系统的精确控制。
  
  由于我国在保护资源和能源等方面的法律法规逐渐完善。因此,研发一款更为先进的纯电动公铁两用车成为轨道交通服务设备发展的必然趋势。在对设备设计和研发的过程中发现,纯电动公铁两用车转向系统多电机协同控制精度低和速度慢的问题已成为阻碍其发展的一大难题。因此,以纯电动公铁两用车为研究平台的多电机协同控制,对于纯电动公铁两用车的研究和发展以及其他多电机控制方式的发展具有重要的意义。
  
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  1.2 、公铁两用车概述及运用现状.
  1.2.1、 公铁两用车概述
  1.2.2 、公铁两用车运用现状
  1.3 、多电机协同控制研究现状.
  1.4、 本文主要研究内容.
  
  第2章、  电气控制系统架构设计
  
  2.1、中央控制单元的设计
  2.2、驱动控制单元的设计
  2.3、转向控制单元的设计
  2.3.1、 转向控制单元
  2.3.2、绝对编码器
  2.4、转向控制策略.
  2.5、公铁两用车传动系统
  2.6、公铁两用车整车控制系统设计
  2.7、本章小结.
  
  第3章、转向系统数学模型建立.
  
  3.1、永磁同步电机数学模型
  3.2、转向系统动力学模型
  3.2.1、控制系统的动力学模型
  3.2.2、状态空间模型.
  3.2.3、稳定性分析
  3.2.4 、能控性分析
  3.2.5、能观性分析
  3.3、本章小结
  
  第4章、转向系统多电机同步控制策略
  

  4.1、转向系统转角控制要求
  4.2、单台永磁同步电机矢量控制策略
  4.3、多电机同步控制拓扑结构的研究
  4.3.1、并行同步控制结构
  4.3.2、主从控制结构
  4.3.3、交叉耦合同步控制结构
  4.3.4、相邻交叉耦合同步控制结构
  4.3.5、改进型偏差耦合控制结构
  4.4、本章小结.
  
  第5章、模糊PID控制器设计及仿真分析
  
  5.1、PID控制算法原理分析
  5.2、 PID控制算法设计
  5.3、模糊控制理论研究
  5.4、模糊PID控制算法
  5.5、仿真分析.
  5.6 、本章小结.
  
  第6章、超扭曲非奇异滑模控制算法及仿真分析.
  
  6.1、非奇异快速终端滑模函数设计
  6.2、超扭曲算法控制器设计
  6.3、超扭曲非奇异滑模控制算法仿真分析.
  6.4 本章小结.
  
  第7章、公铁两用车试验分析
  
  7.1、 CAN总线通讯设计.
  7.2、转向程序设计.
  7.3、验证试验.
  7.4、 本章小结.

  结论

  本文以纯电动公铁两用车转向系统多电机协同控制为研究对象展开了深入的分析。纯电动公铁两用车在转向过程中使转向中心始终控制在一点是转向系统多电机协同控制的研究难点。本文建立了永磁同步电机数学模型和转向系统的动力学模型。针对多电机协调控制策略,本文首先提出了基于转角控制的转角协同补偿器用于偏差耦合控制结构,构建了改进型的偏差耦合控制结构。由于常规的控制算法难以实现对多电机系统的精确控制,本文研究了PID控制算法、模糊PID控制算法、超扭曲非奇异滑模控制算法,以期能实现多电机的协同控制。本文可得如下结论:

  (1)本文所设计的基于转角控制的偏差耦合拓扑结构能够利用电同步的方式使多电机存在耦合关系,对 1 台电机外加负载后,其余 3 台电机均能有所反馈,提高了系统的鲁棒性。

  (2)PID控制算法在使用中需要利用配凑法对参数选取,对操作人员专业技能的要求较高。在本文所搭建的多电机协同控制平台中,响应较为迅速,但转角误差较大,依赖于配凑法选择参数,实践中并不能实现高精度的控制。

  (3)模糊PID控制算法,基于经典PID控制算法和模糊控制理论进行设计,选取高精度的三角形隶属度函数并依据专家经验制定了模糊控制规则,缩短了系统响应的时间,增强了系统稳定性,但由于算法抖振较高,导致系统控制精度仍有限,并不能实现多电机协同的精准控制。

  (4)超扭曲非奇异快速终端滑模控制算法,所得出控制律通过Lyapunov稳定性判据,可实现系统稳定。该算法的稳定性好、鲁棒性强、稳态精度高且无抖振现象。新型超扭曲非奇异快速终端滑模面控制器可使单台永磁同步电机在阶跃响应下在43ms时系统达到稳定,并可使4台电机在53ms时系统达到稳定。该算法能有效的实现多台电机协同控制的精度,更适合应用于本文纯电动公铁两用车转向系统多电机协调控制。

  (5)本文所设计的纯电动公铁两用车转向系统多电机协同控制,经过实车试验证明,可有效实现原地旋转和对角线行驶,并能实现高精度的转角控制,能够胜任公铁两用车的多类工作场合。

  当前,基于现代控制理论的多电机协调控制的研究和应用已有较多成果,但仍有较大的进步空间,系统对环境的适应能力和协调参数控制,还需要等待进一步的研究和探索。在对纯电动公铁两用车转向系统多电机协同控制算法的研究中,还有有待探索和完善,主要表现在:

  (1)本文所研究的多电机协同控制算法主要是针对4台永磁同步电机,并未对其他数量的电机进行仿真和实验验证。因此,今后可对更多数量的多电机协同控制进行研究,验证本文所提出的偏差耦合拓扑结构和超扭曲非奇异滑模算法的可行性。

  (2)本文所做的研究均是基于转向系统转角控制所做出的,对于本文所提出的偏差耦合拓扑结构和超扭曲非奇异滑模算法是否能很好地应用于多电机的转速控制,仍需要进行仿真和研究。

  (3)本文所研究的控制算法还需要根据公铁两用车在工程实践中的使用情况,进行进一步的测试和研究,使其能够更好的服务于纯电动公铁两用车的应用。

  参考文献

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