當前位置: 代寫一篇論文多少錢 > 代寫碩士論文 > 公鐵兩用純電動車的多電機協控系統設計

公鐵兩用純電動車的多電機協控系統設計

時間:2020-09-16 10:36作者:王玨
本文導讀:這是一篇關于公鐵兩用純電動車的多電機協控系統設計的文章,本文首先以純電動四輪驅動四輪轉向(4D4S:four drive four steering)公鐵兩用車為研究對象,分析其工作原理和車輛特性,設計了電氣控制系統,并構建了永磁同步電機的數學模型和轉向系統的運動學方程。
  摘  要
  
  隨著當前高速鐵路和地鐵車輛的運營里程的迅速增加,軌道車輛服役保障的問題現已得到了社會各界的廣泛關注。傳統以調車機車牽引等方式為主的調車作業存在靈活性差的問題,柴油牽引的公鐵兩用車所排放的大量尾氣又對環境造成一定的影響。而純電力驅動的公鐵兩用車既能靈活地實現列車的無動力牽引,又不會對環境造成的危害,是未來軌道車輛服役保障車輛的發展方向之一。


公鐵兩用純電動車的多電機協控系統設計
 
  
  機動性的要求使得純電動公鐵兩用車在狹小的空間內要實現原地轉向、對角線行駛等運行模式,若轉向系統無法完成高精度的控制,將難以實現將轉向中心控制在一點,極易出現側傾的情況。因此,純電動公鐵兩用車的多電機協同控制問題亟待解決。本文的主要研究內容如下:
  
  本文首先以純電動四輪驅動四輪轉向(4D4S:four drive four steering)公鐵兩用車為研究對象,分析其工作原理和車輛特性,設計了電氣控制系統,并構建了永磁同步電機的數學模型和轉向系統的運動學方程。對于多電機的同步控制,傳統PID控制算法對常規被控對象的適用性極強,適合絕大多數的控制場合,但其對于耦合結構的動態特性和穩態精度均無法滿足要求。為了解決上述問題,本文通過設計轉角協同補償器,構建了基于轉角控制的改進型偏差耦合控制拓撲結構,可使公鐵兩用車轉向系統的控制更穩定,但為了提高系統的控制精度和動態特性,因此引入了智能控制算法。
  
  PID控制算法的穩態性能較好,而模糊PID控制算法的響應快。為了解決模糊PID算法在高精度控制場合中穩態精度有限的缺陷,本文提出了基于轉角控制的非奇異滑模算法以降低系統的穩態誤差,并引入了超扭曲算法解決了抖振的問題。針對以上研究的三類控制算法,通過MATLAB/Simulink平臺對多電機協同控制模型進行模擬仿真。仿真研究結果表明,三種控制算法均能很好的實現多電機的協同控制,而超扭曲非奇異滑?刂扑惴ㄔ诳刂凭、信號響應和跟隨性等控制性能均好于其他兩種算法。
  
  最后,將算法應用到了公鐵兩用車上,并進行了一系列的測試。試驗分析結果表明:本研究設計的公鐵兩用車能實現要求的轉向,對角線行駛和原地旋轉行駛。同時,超扭曲非奇異滑?刂扑惴ǹ珊芎玫貙崿F轉向系統多電機的協同控制,并提高了系統的響應速度和穩態特性。本文可為純電動公鐵兩用車轉向系統控制策略和其他多軸協同控制系統的深入研究奠定基礎。
  
  關鍵詞:  公鐵兩用車;偏差耦合控制結構;模糊 PID 算法;非奇異快速終端滑模;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  緒論
 
  
  1.1、課題的背景及選題意義。

  
  在高鐵以及城市軌道高速發展的新時代,人們對軌道交通快速性的要求逐步提高,軌道交通服務保障設備也越來越多地受到專業人士和社會的關注。但是,隨著高鐵等軌道交通運行速度的提升,反而減少了設備管理、維護和維修的時間,給線路和車輛設備的運營與維護帶來不少的壓力[1]。
  
  調車作業是鐵路車站運輸工作中一項重要的環節,主要多見于列車編組站、客運站,在規模較大的中間站也會進行調車作業;貨運列車在編組站周轉過程中,一般都需要進行調車作業;客運列車始發或到達時,也需要通過調車作業推進或駛離站臺。調車作業是確保列車編組計劃實施、保證鐵路運輸正常進行的一個關鍵環節,對鐵路運輸工作具有十分重要的影響。高質量的調車作業可以有效提高車站裝卸工作效率,也能縮短列車在車站的停留時間。此外,調車作業的有序和快速與否,也直接影響到列車編組和車輛調配的編訂與執行,為列車的行車安全提供支持。
  
  在傳統的機車廠、車輛段或動車段,通常需要使用調車機車實現調車作業。調車機車的類型復雜、種類多樣、牽引力大,但是調車機車仍屬于軌道車的一類,無法實現公路行走,導致其運行的靈活性有限。
  
  基于調車機車在調車作業中所存在的上述問題,公鐵兩用車的出現則可以很好的彌補調車機車存在的短板和不足。公鐵兩用車能實現公路行駛,運行靈活度極高。同時,由于公鐵兩用車控制精度高,所以能以較大的牽引力拖動各種車輛實現不落輪鏇修的高精度定位。
  
  柴油驅動公鐵兩用車具有牽引力大、靈活程度高、排量高、污染重、噪聲大的特點。
  
  相較于純電動公鐵兩用車,這類柴油驅動公鐵兩用車的模塊化程度低、自動化程度低、污染嚴重,已不能適應軌道行業對牽引輔助設備高智能化、低污染的要求[2]。實際使用中的公鐵兩用車如圖1-1所示。
  
   
  
  因此,針對當前調車作業設備匱乏的現狀,本研究意在設計一款純電動公鐵兩用牽引車,以方便車輛入庫和不落輪鏇等調車作業。
  
  本研究所設計的純電動公鐵兩用車使用八臺電機分別控制車輛的驅動和轉向,即四臺驅動電機、四臺轉向電機。并基于CAN總線監控方案,實現對整車的集中監控。多臺電機獨立轉向的結構特性,要求能夠實現協同控制,并在不同的工況和轉向模式下,轉向角快速精準到位,否則有可能使公鐵兩用車的轉向出現偏移或傾斜,嚴重影響操作人員的安全。對于多電機高精度協同控制的問題,一直是電機控制工程實踐領域的難題。
  
  本研究通過智能控制算法將多臺電機進行協同控制以實現對純電動公鐵兩用牽引車轉向系統的精確控制。
  
  由于我國在保護資源和能源等方面的法律法規逐漸完善。因此,研發一款更為先進的純電動公鐵兩用車成為軌道交通服務設備發展的必然趨勢。在對設備設計和研發的過程中發現,純電動公鐵兩用車轉向系統多電機協同控制精度低和速度慢的問題已成為阻礙其發展的一大難題。因此,以純電動公鐵兩用車為研究平臺的多電機協同控制,對于純電動公鐵兩用車的研究和發展以及其他多電機控制方式的發展具有重要的意義。
  
  【由于本篇文章為碩士論文,如需全文請點擊底部下載全文鏈接】
  
  1.2 、公鐵兩用車概述及運用現狀.
  1.2.1、 公鐵兩用車概述
  1.2.2 、公鐵兩用車運用現狀
  1.3 、多電機協同控制研究現狀.
  1.4、 本文主要研究內容.
  
  第2章、  電氣控制系統架構設計
  
  2.1、中央控制單元的設計
  2.2、驅動控制單元的設計
  2.3、轉向控制單元的設計
  2.3.1、 轉向控制單元
  2.3.2、絕對編碼器
  2.4、轉向控制策略.
  2.5、公鐵兩用車傳動系統
  2.6、公鐵兩用車整車控制系統設計
  2.7、本章小結.
  
  第3章、轉向系統數學模型建立.
  
  3.1、永磁同步電機數學模型
  3.2、轉向系統動力學模型
  3.2.1、控制系統的動力學模型
  3.2.2、狀態空間模型.
  3.2.3、穩定性分析
  3.2.4 、能控性分析
  3.2.5、能觀性分析
  3.3、本章小結
  
  第4章、轉向系統多電機同步控制策略
  

  4.1、轉向系統轉角控制要求
  4.2、單臺永磁同步電機矢量控制策略
  4.3、多電機同步控制拓撲結構的研究
  4.3.1、并行同步控制結構
  4.3.2、主從控制結構
  4.3.3、交叉耦合同步控制結構
  4.3.4、相鄰交叉耦合同步控制結構
  4.3.5、改進型偏差耦合控制結構
  4.4、本章小結.
  
  第5章、模糊PID控制器設計及仿真分析
  
  5.1、PID控制算法原理分析
  5.2、 PID控制算法設計
  5.3、模糊控制理論研究
  5.4、模糊PID控制算法
  5.5、仿真分析.
  5.6 、本章小結.
  
  第6章、超扭曲非奇異滑?刂扑惴胺抡娣治.
  
  6.1、非奇異快速終端滑模函數設計
  6.2、超扭曲算法控制器設計
  6.3、超扭曲非奇異滑?刂扑惴ǚ抡娣治.
  6.4 本章小結.
  
  第7章、公鐵兩用車試驗分析
  
  7.1、 CAN總線通訊設計.
  7.2、轉向程序設計.
  7.3、驗證試驗.
  7.4、 本章小結.

  結論

  本文以純電動公鐵兩用車轉向系統多電機協同控制為研究對象展開了深入的分析。純電動公鐵兩用車在轉向過程中使轉向中心始終控制在一點是轉向系統多電機協同控制的研究難點。本文建立了永磁同步電機數學模型和轉向系統的動力學模型。針對多電機協調控制策略,本文首先提出了基于轉角控制的轉角協同補償器用于偏差耦合控制結構,構建了改進型的偏差耦合控制結構。由于常規的控制算法難以實現對多電機系統的精確控制,本文研究了PID控制算法、模糊PID控制算法、超扭曲非奇異滑?刂扑惴,以期能實現多電機的協同控制。本文可得如下結論:

 。1)本文所設計的基于轉角控制的偏差耦合拓撲結構能夠利用電同步的方式使多電機存在耦合關系,對 1 臺電機外加負載后,其余 3 臺電機均能有所反饋,提高了系統的魯棒性。

 。2)PID控制算法在使用中需要利用配湊法對參數選取,對操作人員專業技能的要求較高。在本文所搭建的多電機協同控制平臺中,響應較為迅速,但轉角誤差較大,依賴于配湊法選擇參數,實踐中并不能實現高精度的控制。

 。3)模糊PID控制算法,基于經典PID控制算法和模糊控制理論進行設計,選取高精度的三角形隸屬度函數并依據專家經驗制定了模糊控制規則,縮短了系統響應的時間,增強了系統穩定性,但由于算法抖振較高,導致系統控制精度仍有限,并不能實現多電機協同的精準控制。

 。4)超扭曲非奇異快速終端滑?刂扑惴,所得出控制律通過Lyapunov穩定性判據,可實現系統穩定。該算法的穩定性好、魯棒性強、穩態精度高且無抖振現象。新型超扭曲非奇異快速終端滑模面控制器可使單臺永磁同步電機在階躍響應下在43ms時系統達到穩定,并可使4臺電機在53ms時系統達到穩定。該算法能有效的實現多臺電機協同控制的精度,更適合應用于本文純電動公鐵兩用車轉向系統多電機協調控制。

 。5)本文所設計的純電動公鐵兩用車轉向系統多電機協同控制,經過實車試驗證明,可有效實現原地旋轉和對角線行駛,并能實現高精度的轉角控制,能夠勝任公鐵兩用車的多類工作場合。

  當前,基于現代控制理論的多電機協調控制的研究和應用已有較多成果,但仍有較大的進步空間,系統對環境的適應能力和協調參數控制,還需要等待進一步的研究和探索。在對純電動公鐵兩用車轉向系統多電機協同控制算法的研究中,還有有待探索和完善,主要表現在:

 。1)本文所研究的多電機協同控制算法主要是針對4臺永磁同步電機,并未對其他數量的電機進行仿真和實驗驗證。因此,今后可對更多數量的多電機協同控制進行研究,驗證本文所提出的偏差耦合拓撲結構和超扭曲非奇異滑模算法的可行性。

 。2)本文所做的研究均是基于轉向系統轉角控制所做出的,對于本文所提出的偏差耦合拓撲結構和超扭曲非奇異滑模算法是否能很好地應用于多電機的轉速控制,仍需要進行仿真和研究。

 。3)本文所研究的控制算法還需要根據公鐵兩用車在工程實踐中的使用情況,進行進一步的測試和研究,使其能夠更好的服務于純電動公鐵兩用車的應用。

  參考文獻

相關文章
聯系我們
山西快乐十分走势图