（控制科学与工程专业论文）crh1型动车惯量模拟缩比系统的研究与实现.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：砖心文 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 三坠生兰导师签智羔兰全日期：生年上月上曰 摘要 动车组具有的加减速快、拖动力强和灵活性高等特点已经使其成 为城际交通的一种重要方式，增加动车组的开行是当前国内铁路交通 发展的一个大的方向。因此如何对动车的性能进行完整而高效的测试 是目前提高铁路运能所面对的重要问题。而运用动车滚动试验台试验 是一种高效的整车测试方法，能减少动车的线路测试时间，大幅度提 高测试效率。在运用动车滚动试验台进行动态试验时，必须对动车惯 量进行模拟，以保证动态试验制动过程工况与实际线路上运行时制动 过程工况的一致性。 本文依据c r h l 型动车的试验要求以及c r h l 型动车惯量模拟特 点，提出了采用电机与组合惯量盘结合的模拟方案来进行c r h l 型动 车惯量模拟。为方便对动车惯量的特性进行试验分析，论文按照动车 的惯量以8 0 0 ：1 的比例设计研制了c r h l 型动车惯量模拟缩比试验 台，以进行各种惯量模拟策略的对比分析和研究。 在分析电惯量模拟系统原理的基础上，针对惯量模型受各种不确 定因素影响、系统固有机械惯量难以标定等特点，提出了惯量模型的 神经网络构建法。通过与纯机械模拟试验数据对比，证明了神经网络 惯量模型的有效性。然后，在分析惯量模拟常见控制算法优缺点基础 上，提出了转矩控制的单神经元智能p i d 算法，在线校正p i d 参数 实现转矩控制。常见惯量模拟算法和转矩控制的单神经元p i d 算法的 仿真对比分析说明，此算法具有适应能力强、动态响应性能好等优点， 且具有较高的惯量模拟精度。 本文进行了缩比台架的机械、电气与控制部分的设计。在缩比台 架上实现了神经网络惯量模型，在此基础上对各种常用算法和单神经 元p i d 算法进行对比试验。试验结果表明，惯量的神经网络模型结合 单神经元p i d 控制算法使系统具有很好的模拟效果，完全能够满足 c r h l 型动车惯量模拟的要求。 关键词c r h l 型动车，惯量模拟，缩比试验台，神经网络，单神经 兀p i d a bs t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc a rw i t hp o w e rs u c ha s r a p i da c c e l e r a t i o n ， s t r o n gt r a c t i o np o w e ra n dh i g hf l e x i b i l i t yl e tt h e m s e l v e sb e c o m eo n eo f t h ei m p o r t a n tt r a v e lm e t h o d sb e t w e e nc i t i e s i ti so n em a i nd i r e c t i o no f c h i n ar a il w a yd e v e l o p m e n tt oe x p a n dt h eu s i n go fc a rw i t hp o w e r t h u s ， h o wt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo fc a rw i t hp o w e r c o m p l e t e l ya n de f f i c i e n t l y i sa ni m p o r t a n tp r o b l e mt oi m p r o v et h ec u r r e n tr a i l w a yc a p a c i t y t h e r o l l i n gt e s tp l a t f o r mf o rw h o l el o c o m o t i v ec a nb et h ee f f i c i e n ts o l u t i o nt o t e s tc a rw i t hp o w e r , w h i c hc a nr e d u c et h eo n l i n et e s tt i m ea n di m p r o v e t h et e s te f f i c i e n c yg r e a t l y h o w e v e r , w h e nu s i n gt h er o l l i n gt e s tp l a t f o r m ， t h ec a ri n e r t i am u s tb ee m u l a t e ds ot h a tt h er o l l i n gp l a t f o r mc a nc l o s et o t h er e a lr a i l w a yo n li n es u r r o u n d i n g a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fe x p e r i m e n t st oc r h 1 t y p ea n di t s i n e r t i ac h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep a p e rp r o p o s e sa h y b r i de m u l a t i o nd e s i g nt h a t c o m b i n e st h ee l e c t r i ci n e r t i aa n dp i l e d - m e c h a n i c a li n e r t i at oe m u l a t et h e c r h1i n e r t i a t of a c i l i t a t et h ec r h1i n e r t i aa n a l y s i s ，t h ep a p e rd e s i g na s c a l i n ge m u l a t i o np l a t f o r mb yt h er a t i o8 0 0 ：1b a s e do nt h ec r h li n e r t i a ， o nw h i c ha l lk i n d so fi n e r t i ae m u l a t i o ns t r a t e g i e sc a nb ec o m p a r e da n d r e s e a r c h e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t st h a t c o m p a r e dt o o t h e rc o m m o n c o n t r o ls t r a t e g i e s ，t h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g yc a na p p r o a c ht h er e a l s y s t e mm o r ec l o s e l ya n ds u i tf o ri n e r t i ae m u l a t i o nm o r ea d a p t i v e l y , i ta l s o h a v ew e l ld y n a m i cr e s p o n s ep e r f o r m a n c e t h u si tc a np r o v i d eh i g h e r p r e c i s et oi n e r t i ae m u l a t i o n f o u n d e do nt h ep r i n c i p l ea n a l y s i so ft h ee l e c t r i ce m u l a t i o ns y s t e m ， a ni n e r t i am o d e lb a s e do nt h en e u r a ln e t w o r kw a sp r o p o s e d ，i nw h i c ht h e p a r a m e r t e r sw a sa f f e c t e db yr a n d o mf a c t o ra n dc o n n a t u r a li n e r t i aw a s h a r dt om e a s u e c o m p a r i o no ft h ed a t ao b t a i n e db yt h ei n e t i ae m u l a t i o a n t r o u g hf l y w h e e lp r o v e dt h a tt h en e r a ln e t w o r km o d e li se f f e c t i v e a n n e u r o ni n t e l l i g e n tp i dc o n t r o la l g o r i t h mt oa c h i v et o r q u ec o n t r o lw a s p r o p s e db a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec o m m o na l g o r i t h m s ，t h ep i d p a r a m e t e r s c a nb ec o r r e c t e do nl i n e b yu s i n gt h i sa l g o r i t h m t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e dt h a tt h ep r o p o s e dc o n t r o la l g o r i t h ms u i tf o r i n e r t i ae m u l a t i o nm o r ea d a p t i v e l ya n dh a v ew e l ld y n a m i cr e s p o n s e p e r f o r m a n c ec o m p a r e dt oo t h e rc o m m o nc o n t r o ls t r a t e g i e s t h u sh i g h e r p r e c i s et oi n e r t i ae m u l a t i o nw a sp r o v i d e db yt h i sa l g o r i t h m m e c h a n i c a l ，e l e c t r i c a la n dm a n i p u l a t e dp a r to ft h es c a l i n gt e s t p l a t f o r mw a sd e s i g n e di n t h i sp a p e r t h en e u r a ln e t w o r km o d e lw a s i m p l e m e n t e di nt h es c a l i n gt e s tp l a t f o r m ，t h ec o m m o ni n e t i ae m u l a t i o n a l g o r i t h m sa n dn e u r o np i dc o n t r o la l g o r i t h mw a si m p l e m e n t e db a s e do n t h i sm o d e l c o m p a t a t i v ee x p e r i m e n t st e s t ss h o wt h a tt h eb e s te m u l a t i o n r e s u l t sc a nb ep e r f o r m e db yt h e s t r a t e g y c o m b i n e dn e u r a ln e t w o r k i n e r t i am o d e la n dt h es i n g l en e u r o np i dc o n t r o la l g o r i t h m ，r e q u e s to f c r h1 t y p ec a r w i t hp o w e ri n e r t i as i m u l a t i o nw a sa c h i e v e da b s o l u t e l yb y t h i ss t r a t e g y k e yw o r d sc a rw i t hp o w e rc r h 1 ，i n e r t i ae m u l a t i o n ，s c a l i n gt e s t p l a t f o r m ，n e u r a ln e t w o r k ，s i n g l en e u r o np i d 目录 第一章绪论l 1 1 研究背景和意义1 1 1 1 课题的研究背景l 1 1 2 课题的研究意义4 1 2 惯量模拟技术的发展与现状5 1 2 1 惯量模拟的方法5 1 2 2 电惯量控制算法研究现状6 1 2 3 动车惯量模拟的特点及难点8 1 3 论文的研究内容和结构安排9 第二章动车惯量模拟问题分析和缩比台架设计11 2 1 惯量模拟原理1 1 2 1 1 惯量模拟的必要性1 1 2 1 2 飞轮模拟惯量12 2 1 3 电机输出力矩模拟惯量一一13 2 2 惯量模拟方案对比分析1 4 2 2 1 纯机械方法模拟1 4 2 2 2 电机模拟惯量15 2 3c r h l 型动车惯量模拟难点和缩比台架方案1 7 2 3 1c r h l 型动车惯量模拟要求与难点1 7 2 3 2c r h l 型动车惯量模拟缩比台架组成1 8 2 3 3 缩比台架机械部分设计2 0 2 4 本章小结2 2 第三章惯量模型的神经网络构建及智能p i d 控制2 3 3 1 电惯量模拟系统控制原理2 3 3 2 惯量模型的神经网络构建2 5 3 2 1 神经网络结构设计2 5 3 2 2 神经网络学习算法2 7 3 2 3 神经网络训练2 9 3 3 电惯量模拟控制算法研究3 3 3 3 1 基于转速的非参数模型单步动态预测控制3 4 3 3 2 基于转矩的p i d 控制3 6 3 4 转矩控制的单神经元智能p i d 算法3 7 3 5 电惯量模拟控制算法仿真分析4 0 3 5 1 仿真参数和仿真步骤4 0 3 5 2 结果分析4 2 3 6 本章小结4 5 第四章缩比台架实现及试验结果4 6 4 1 硬件设计4 6 4 1 1 硬件整体方案4 6 4 1 2 电机和变频器选择与应用= 一4 8 4 1 3 以p l c 核心的控制电路设计5 1 4 2 软件设计5 4 4 2 2 上位机软件设计5 5 4 2 3 下位机软件设计5 8 4 2 4 串口通信协议的制定6 0 4 3 试验结果及分析6 1 4 4 本章小结6 3 第五章总结与展望：6 4 5 1 论文总结6 4 5 2 工作的展望6 5 参考文献6 6 致谢7 0 攻读学位期间的论文情况和科研情况7 1 硕十学位论文第一章绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 1 课题的研究背景 第一章绪论弟一早珀t 匕 近年来，动车组的大量开行大大提高了原来铁路的旅客运输能力，同时也 能够满足旅客对旅行速度的要求。由于动车的运行速度极高，为了保障运输安 全，对动车的各种部件的性能要求很高，必须需要较高的可靠性。因此，在铁 路动车车辆在出厂之自订必须进行各种性能测试。 要进行有效、可靠的的动车性能测试，需要进行两种类型的试验：一种是 静态试验【l 】，即动车静止不动的情况下所进行的各种试验；另一种则是动态试 验【2 1 ，根据动车在实际运行时的实际工况，进行各种性能测试。动态试验可以 为实际线路试验和大型滚动试验台模拟试验。动态试验是保证动车在运行中安 全行驶的关键，因为许多性能都必须在动念试验中才能够测试出来的。例如， 动力学性能指标包括：轮轨受力、加速度、横向位移、垂向位移等以及制动盘 和闸片的耐磨系数和温升系数等都是必须在动态试验中才能测试出来的。而这 些参数都是判断动车行驶是否安全的重要指标。 如果采用实际的线路试验进行动态测试，就要求动车在线路上进行较长时 问的试运。即动车在不乘载旅客的情况下，在铁路线上丌行一定时i 日j ，采集并 记录相关参数。但是随着列车运行速度日益提高，行车密度的加密及其它种种 原因，要在营业线上进行实车运行试验己变得很困难。并且这势必给生产厂家 和动车段都带来比较的经济丌支。而动车滚动试验台是一种能够模拟动车在线 路上实际运行工况，进行动态试验的试验台，同时滚动试验台也能进行各种静 态试验。本课题即来源青岛四方股份有限公司项目c r h l 型动掣列整车滚动综 合性能试验台。 滚动试验台作为一个模拟铁路线的大型试验装置，虽然其具体形式各种各 样，但其基本原理【4 】还是相同的，就是利用轨道轮来模拟路面阻力或者对其施 加动力模拟其在路面上运行时的惯性走行。如图1 1 所示，动车滚动试验台用 轨道轮模拟钢轨。位于试验台上的动车，各个动车车轮分别落于对应的轨道轮 上，轮与轮之问法线垂向接触。 在模拟线路七运行时的工况时，如果是牵引过程，则通过试验台的控制系 统5 l ，控制动车的上的驱动电机使得动车车轮按照一定的速度向前滚动，而试 验台上的电机则施加一个反向力矩，模拟负载，以测试动车的动力学性能和及 硕十学位论文 第一章绪论 车载部件性能状态；如果是制动过程，则通过试验台的控制系统，让动车产生 再生制动、空气制动或电空混合制动，再生制动工况下机车电机处于发电状态， 将机车的运动动能转发为电能并反馈回电网，空气制动工况下空气制动机产生 制动作用，通过调节气压顶住闸片抱住制动盘制动。无论是哪种制动过程，都 需要模拟动车在实际运行中的惯性现象，即惯量模拟。惯量的模拟可以是机械 惯量模拟，也可以是电惯量模拟。以下进行详细分析。 图1 1 整车滚动综合试验台原理 图1 - 2 动态试验与实际运行制动过程 图1 2 所示为在滚动试验台上进行动态试验和动车在铁路线上运行时的角 速度曲线对比。如果在进行动念试验时，不进行惯量模拟，动车的停车角速度 曲线将严重偏离实际运行过程中角速度曲线，在没进行惯量模拟之前的角速度 很快就会下降到零。这就不能够满足动车的动态试验要求。这是因为动车在实 际运行过程中，由于动车的质量聊( 质量即是衡量平动惯量大小的物理量) 很大， 所以在停车时刻会存储大量的平动动能。而动车在进行动念试验时，由于车轮 和轨道轮等的转动惯量本身并不大，所以在停车时刻存储的转动动能相对动车 硕士学位论文 第一章绪论 的平动动能就很小了。 由上述分析可知，为模拟实际运行中的制动过程，必须对动车的惯量进行 模拟，使得模拟后的速度曲线与动车在实际运行过程中的速度曲线一致。本论 文的研究目的就是精确有效的模拟出动车的惯量，保证运用滚动试验台进行动 态试验时的制动过程与实际上线运行时的一致性。 图1 3 滚动试验台组成与结构 图1 3 所示为动车滚动试验台结构，整个试验台分为滚动平台部分和驱动 平台部分【6 1 。滚动平台部分包括轨道轮及其驱动轴。驱动平台部分包括驱动电 机、飞轮组、变速箱、扭矩仪即连接这些部分的传感器组成。驱动平台的飞轮 组外径大，具有较大的转动惯量，因此能够减缓速度的下降过程，实现惯黾模 拟。而驱动电机能够施加与制动力矩相反方向的力矩，因此也能减缓速度的f 降过程，实现惯量模拟。在实际应用中，通常采用飞轮与电机相结合的方法实 现惯鼍模拟。 目前对于惯量模拟方面的研究主要集中在汽车的制动试验台。其应用较为 硕十学位论文 第一章绪论 成熟，但对于动车来说，其速度高，质量大，其惯量模拟的范围和精度要求远 高于一般汽车的制动试验台。而且动车的不同车型之间，以及旅客上座率不同 时动车的惯量大小都会发生比较大的变化，因此动车的惯量模拟实现方法和算 法上需要有很高的自适应性，保证模拟方法及算法能够满足一个较大范围内 的惯量模拟。 由于在实际的滚动试验台上直接对动车的惯量模拟的难度较大，为保障试 验的安全和测试的方便，在本文先根据c r h l 型动车大型滚动试验台功能要求 和性能需求按8 0 0 ：1 的比例设计了一个动车惯量模拟缩比试验台，在缩比台架 对原有惯量模拟算法进行研究，并进行对比分析，以研究出更加有效的电惯量 模拟算法。 1 1 2 课题的研究意义 按照铁道部颁布的技术规程规定：每台新造动车车辆都要经过单程不少于 1 0 0 k m 的j 下线试运，中修动车要进行单程不少于5 0 k i n 的正线试运，才能交付 试用。所以，动车试运是一项重要且繁重的工作。而我国的铁路运输任务繁忙， 承载了全国客运市场的3 0 多、货运市场的5 0 多的运输份额，所以铁路正线 很难有时间安排动车单独试运。而且，我国主要的动车生产厂家大部分位于东 北、东部、和中南等经济发达地区，动车的大多数也使用于这些地区，这就更 加重了铁路的紧张状况。对于动车修理和制造部门来说，试运动车排点上线困 难，试运动车要避让正线通过列车，常常待备点，费工费时，造成动车使用率 下降和延长动车的出厂日期。因此，建造动车滚动试验台用于代替动车试运转， 无论从缓解铁路运输紧张矛盾，还是缩短试运工期、提高动车运用周转率来说， 都具有十分重要的意义。 应用动车滚动试验台进行动车试运转不仅能满足规定的试运指标，而且便 于进行上线试运所难以实现的技术检测和状态监测，及时进行最佳调整及标定； 便于查找故障，并及时进行处理；便于应用先进的地面检测技术及设备，如微 机检测与故障诊断系统；便于配置先进的信号传感器及检测系统，如车轴、轴 箱及抱轴瓦的红外测温技术，走行部等关键部位的振动及噪声测试技术，动车 牵引力、牵引功率、速度的测试技术。可以说，完善的动车定置滚动试验台1 7 j 集动车动态试验( 代替动车试运) 与静态试验于一身，不失为一种对动车进行 整车试验的最佳试验设备。 运用滚动试验台进行动态试验时，其对制动过程的模拟是能否测试出动车 各方面性能参数的一个关键环节。能否模拟出惯量直接关系到试验台的应用价 值。如果不能较好的模拟出动车车辆在线路运行时的惯量，那么滚动试验就无 硕士学位论文 第一章绪论 法真正模拟动车的线路试验，所能进行的可信的试验项目会大大缩小，极大的 降低了大型滚动试验台的应用范围。因此，研制出好的惯量模拟系统，是滚动 试验台的一个重点。尤其是对车速较高，制动过程较快的c r h l 型动车大型台 架来说更是如此。 但目前对于动车等铁路车辆的惯量的研究还不够深入，目前尚无公丌的文 献可以参阅。因此，设计一个动车惯量模拟缩比试验台来研究动车惯量模拟的 方法和算法意义重大。 1 2 惯量模拟技术的发展与现状 1 2 1 惯量模拟的方法 从现有的如汽车、摩托车和飞机等方面的惯量模拟技术来看，可以总结出 电惯量模拟的控制输入主要有2 种： 1 纯机械方法 该方法利用飞轮的转动惯量来模拟原负载的平动或者转动惯量峭j 。飞轮是 一种储藏能量的机械部件，角速度上升时吸收能量，即e = ，u 2 ，式中，为飞轮 的转动惯量。u 为飞轮的角速度。在角速度下降时释放能量，凶此它可以用来 模拟动车的惯量。 试验时，用电机启动飞轮，然后制动机吸收达到一定速度的飞轮的动能e ， 在变化的滑转速度下实现转动轴的制动。通过检测测试过程的参数从而分析待 测参数。这种方法虽然可以比较充分和准确地再现制动机构的工作状况，但是 由于试验台中含有组惯性质量飞轮组，模拟精度越高，所需飞轮种类越多， 且始终存在模拟级差、试验误差大的问题；如果需要模拟较大的惯量，则需要 采用很大的飞轮，由于加工精度不可能达到很高，所以大飞轮通常会由于加工 精度的问题产生一些偏心力，导致系统运行不能够很稳定0 1 。 2 电机输出力矩模拟惯量( 简称电惯量) 电机在工作时能够将电能转换为机械能，因此电机也能够替代惯性飞轮模 拟车的惯量l 。因此对电机进行控制，使得转轴制动速度曲线能够与原制动速 度的吻合，就实现了惯量的电机模拟。电机模拟惯量可以分为以下三种方法。 ( 1 ) 纯电机模拟 用电动机代替原有机械惯量模拟试验台的所以的机械惯最盘( 飞轮) ，直接 用电动机转动输出的力矩模拟被模拟机械的制动过程【1 2 , 1 3 l 。这种模拟方法称为 纯电机模拟法。 ( 2 ) 电机与固定惯量盘相结合 硕+ 学位论文 第一章绪论 用电动机和一个固定大飞轮来代替原有的机械惯量试验台的机械惯量盘， 这种模拟方法称为固定机械惯量盘的电模拟法【1 4 , 1 5 l 。 ( 3 ) 电机与组合惯量盘相结合 用电动机和若干个小飞轮来代替原有机械惯量试验台的机械惯量盘( 飞 轮) ，这种模拟方法称为组合惯量盘的电模拟法l l6 1 。 上述的三种方案就其本质而言，都足飞轮与电机混合进行惯量模拟，因为 即使是纯电机模拟，电机的轴和联轴器等也是存在着一定的转动惯量的【1 7 j 。电 惯量模拟的范围其实就是机械惯量盘及轴系能模拟的惯量与电机能模拟的最大 惯量之和。 一 电机模拟惯量的最大的优点是其模拟范围是连续的，不像纯机械方法存在 模拟极差，而且装置较为简单，试验过程不需要进行惯量盘的拆卸与组装。同 时，随着电惯量控制算法的不断改进，模拟精度也能够接近纯机械方法，接近 甚至和纯机械方法一样高【1 8 】。但是要使电惯量模拟达到和飞轮模拟同样的精度， 还是有较大的难度的。精度高低主要取决与电惯量模拟中的控制算法，下一小 节对电惯量控制算法的研究现状进行阐述。 1 2 2 电惯量系统模型构建及控制算法研究现状 1 惯量模型研究现状 电惯量模拟基本原理和现有惯量模拟方法可知，进行电惯量模拟即利用电 机输出转矩对系统做功补充能量，其本质为依据系统在一定惯量下的响应特性 实现对电机的控制。实现惯量模拟首先需要明确系统的控制变量，主要有控制 电机转速和转矩两种方式。因此建立系统的准确模型，得到惯量与系统角速度 和角减速度之间关系，据此设计电机控制器是电惯量模拟实现的关键。 目前，对于电惯量系统模型采用的基本都是机理分析法 l 9 。2 1j 。依据待模拟 系统的运行负载特性和惯量大小以及试验台架的机械特性和相关的试验数据， 通过力学原理进行分析建模。将待模拟惯量、基础惯量( 试验台已与机械惯量) 、 制动力矩、制动起始时刻、制动起始角速度等参量以及进行电惯量模拟所需要 的角速度和角减速度近似的等效为一个线性模型。忽略了摩擦、风阻等不确定 因素影响，同时通常也忽略了电机和联轴器等不规则物体的转动惯量等模型的 影响。 由于惯量模拟系统所存在非线性特性、时变特性和不确定扰动，使得传统 机理分析法建立的惯量模型不可能使系统达到比较好的控制效果。因此马继杰 1 2 2 】等人基于能量模型补偿的凹归分析惯量模型。基于能量模型补偿的回归分析 建立的惯量模型，通过计算惯量模拟过程的能量变化来修正系统的原有数学模 6 硕十学位论文第一章绪论 型。扰动对系统的影响可以看作是系统的损耗，因此可以根据系统能量的变化 估计扰动的变化，并从能量的角度对扰动的效果进行补偿，使系统能够得到一 个近似的非线性模型。但是该模型的建立一方面依赖系统模型参数的稳定，一 方面依赖高精度的传感器能够提供准确的传感数据，因此难以达到较好的控制 效果，而且往往要辅以大量的机械惯量试验，以得到较为合适的系统参数1 2 引。 而控制算法的计算量也比较大。 2 电惯量控制算法研究现状 综合飞机、汽车和摩托车以等惯量模拟方面的文献，可以总结出电惯量模 拟的控制输入主要有2 种，即角速度和角减速度；两种不同的给定量，对系统 控制提出不同要求，因此电惯量控制算法从两种不同的给定量分别进行分析和 研究。 ( 1 ) 控制角速度 由于惯量模拟的本质就是要实现在一定制动力矩作用下的的角速度曲线的 拟合。因此，廖育武【2 4 】等人在2 0 0 9 年就提出了对角速度进行控制的惯量模拟算 法，其控制策略采用传统的p i d 控制。但足角速度的变化范罔较大，电机要进- 行角速度跟随对快速性要求过高，p i d 参数难以调制到一个合适的值使得系统 的超调能够满足惯量模拟要求。故梁波【2 5 j 等人提出了模糊自适应p i d 来进行 角速度的调节，由于p i d 参数有一定的自适应性，因此效果相对有所改善，但 是超调最过大的问题依然存在，不能完全满足惯鼍模拟系统的要求。由于单凭 调节p i d 参数很难解决系统时滞问题所产生的超调过大的现象，故黄万友等人 提出的基于转速的非参数模型动态预测控制策略【2 酬。 1 其中预测控制模型通过建立一个内部预测模型预测下一步的转速输出，根 据预测输出和实际输出的误差对系统进行校正，依次来适应转速给定的快速变 化。但由于需要系统准确内部模型，因此对于没有精确模型的电惯量系统来说， 如果采用的模犁和参考轨迹与实际情况偏差较大，则难以取得较好的控制效果； 而且采样周期以及预测步长对控制效果的影响很大，对参数的设置要求高，转 速跟随的快速性仍难以保证1 2 。 ( 2 ) 控制角减速度 根据旋转物体的动力学原理可知，对于相同的力矩，确定了转动惯量就确 定了物体的角加速度。a l o nk u p e r m a n d 2 8 j 等人在2 0 0 5 年提出了通过调节角加速 度来实现电惯黾模拟。其控制策略也采用经典的p i d 控制，依据实际角减速度 和计算角减速度的偏差进行p i d 运算。由于角加速度直接与力矩相关，因此对 系统的控制作用更加明显，跟随性能更好。这在一定程度上能够减小偏差，使 输出角速度曲线更加接近实际情况。凶此现有电惯黾模拟算法大多以角加速度 7 硕士学位论文 第一章绪论 作为系统参考输入，在本论文中也采用了这种参考输入方式。但是角减速度不 能像角速度一样很方便的直接测量，通常要经过速度的微分或者说差分运算间 接获得，因此控制不够直观，且角速度计算必然会产生一些误差1 2 刿。 从控制策略来说，无论是以角速度作为输入还是以角减速度作为目前电惯 量模拟常用的方法仍然是经典的p i d 算法【3 啦3 2 j 。但是由于电惯量模拟系统中随 着惯量模拟大小不同，系统模型参数会发生变化，同时试验时的制动力矩和负 载在各次试验中都有可能不同，故p i d 参数整定比较困难。又因为惯量模拟系 统存在的时变性，p i d 参数往往缺少对不同惯量不同初速度的适应能力，也难 以使系统控制达到需要的控制精度p 川。 对于惯量模拟这样的高非线性和扰动不确定的系统，依靠对模型的精确建 模和扰动的精确补偿往往难以达到较好的控制效果1 3 引。为提高控制的健壮性和 鲁棒性，一个研究思路是在控制算法中加入具有较高适应性和学习能力的智能 控制策略。如i 身 昭莉【3 5 l 提出了基于仿人智能控制的电惯量模拟控制算法，通过 电惯量模拟试验所提供的数据，进行启发和推理控制，避免传统p i d 控制对模 型参数的依赖性。但是此种方法需要分析和计算大量的试验数据，且系统的鲁 棒性过分依赖试验数据，因此也不能很好的实现电惯量系统控制。设计一种计 算量不大，能适合现场控制器的运算能力，且鲁棒性不过分依赖于大量试验数 据的控制算法，是解决电惯量模拟的一个重要问题，本论文即主要从这个方向 进行惯量模拟控制算法的研究。 1 2 3 动车惯量模拟的特点及难点 由于动车上不仅要装载车内坐卧和空调取暖设备，同时在车体下面还要装 载轮对、走行和制动设备，有的车体下面还装载了动力设备，所以通常动车的 质量很大，具有较大的惯量。 在c r h i 型动车中，有三种不同类型动车车辆，其中质量最大为2 6 4 0 0 k g ， 而其中最小的也有5 6 4 0 0 k g ，可见动车的自重相差是比较大的。由于动车承载 旅客数量的差异，动车的车重会发生很大的变化。在满载的情况下，最大的动 车车重将达到7 8 2 0 0 k g 。因此可以看出动车惯量变化范围是很大的引。 动车是新型的铁路列车，其行驶速度很快。例如，c r h l 型动车行驶速度 通常在2 5 0 k m h 左右。同时，动车的加速性能也明显优于普通列车，加速过程 很快，加速度很大；制动过程中，制动距离也明显小于普通列车，即制动减速 度更大f 3 们。 由上述分析可知，由于旅客上座率的不同，动车的惯量大小会不断的变化， 因此动车的惯量模拟就只适合采用电机模拟惯量了，这是由于电惯量模拟不像 硕十学何论文 第一章绪论 纯机械模拟存在模拟级差，即可以模拟任意大小的惯最。由上述分析可知，对 于动车的自重，各种不同车型分为几个固定的数量等级，因此，采用电机和组 合惯量盘相结合的办法即可较好的模拟出动车惯量。其中，对于动车白重部分， 以组合惯量盘作为主要的模拟方法，而对于乘坐旅客产生的惯量部分主要通过 电机来实现。 由于动车的惯量很大，如果采用纯机械方法，则需要采用很大的飞轮，由 于加工精度通常不可能达到很高，所以大飞轮通常会由于加工精度的问题产生 一些偏心力，导致系统运行不能够很稳定，甚至可能导致纽断转轴，损坏试验 装置和被试品，造成人身伤亡。 由于动车是高速行驶的车体，并且要求能够在较短的时间内进行快速、有 效的制动；这就要求在动车的电惯量模拟中必然要达到很高的精度，尽量的逼 近行驶中的制动过程。同时，由于快速的制动必然要求有很大的制动力，这就 要求电机施加力矩必须符合实际要求，否则就可能导致试验时的安全隐患。相 比较汽车和摩托车等的电惯量模拟而言，实现动车的电惯量模拟难度更大。 目前有关动车以以及其他铁路机车车辆的惯量模拟尚无现成的参考文献。 同时，由于动车的电惯量模拟的难度很大，因此在本文中提出制作惯量大小为 8 0 0 ：1 的比例制作一个动车惯量模拟缩比系统来研究动车电惯量模拟的算法， 方便各种算法的对比分析；同时也验证动车电惯量模拟的可行性。 1 3 论文的研究内容和结构安排 论文的主要内容包括： 1 分析了动车惯量模拟的最佳途径。分析了动车惯量模拟的特点和要求， 根据要求确定需采用组合惯量盘的电模拟方法来实现惯量模拟，然后提出了动 车惯量模拟缩比系统即缩比试验台的整体方案和机械系统方案。 2 分析动车电惯量模拟特点和难点，提出了惯量模型的神经网络构建方法， 获得惯量模拟控制系统需要给定的角速度或者角减速度。依据系统要求，设计 了神经网络的结构，设计了网络的学习算法。在此基础上，研究了电惯量系统 的控制器设计，提出了基于转矩控制的单神经元p i d 电惯量模拟算法。 3 对缩比试验台的硬件部分进行了参数设计和选型，同时也对试验台的软 件包括上位机软件和下位机软件进行设计。给出了神经网络模型及结合不同控 制算法的试验结果，并进行了对比分析。 论文总共分为5 部分，后续章节安排如下： 在第二章中，i 鞫述了惯量模拟原理，对惯量问题进行分析和建模，指出了 动车惯量宜采用电机和组合惯量盘结合的方法进行模拟；并给出了c r h l 型动 9 硕士学位论文 第一章绪论 车惯量缩比台架的整体方案和机械系统方案。 在第三章中，提出了电惯量模型的神经网络构建方法，得到了惯量模拟控 制系统需要给定的角速度或者角减速度。在此基础上，对电惯量系统的控制器 进行研究和设计，提出了基于转矩控制的单神经元p i d 电惯量模拟算法。 在第四章中，对动车惯量模拟缩比系统进行了软硬件设计，然后给出了运 用神经网络模型及各种控制算法进行试验的结果，并进行了对比分析。 第五章，结论与展望。对本文所作研究进行总结，同时提出后续工作的方 向。 l o 硕十学位论文第二二章动乍惯鞋模拟问题分析和缩比台架设计 第二章动车惯量模拟问题分析和缩比台架设计 在进行动车的动态试验时，为能够准确逼近动车在实际线路上运行的工况， 滚动试验台必须能够模拟动车的机械惯性。本章首先分析了惯量模拟原理，并 且对各种那个模拟方案的实现难度和优缺点进行了对比。由于动车随着旅客上 座率的不同，惯量模拟范围不允许存在大的级差，凶此宜采用组合惯量盘与电 机相结合的惯量模拟方式。由于c r h l 型惯量模拟精度要求高，而且电机模拟 惯量的控制本身是一个难点，因此本文中提出设按照惯量大小比例为8 0 0 ：1 的 比例设计一个动车惯量模拟缩比系统来研究动车电惯量模拟的算法。 2 1 惯量模拟原理 2 1 1 惯量模拟的必要性 图2 1 所示为在滚动试验台上进行动态试验和动车在铁路线上运行时的角 速度曲线对比。如果在进行动态试验时，不进行惯量模拟，动车的停车角速度 曲线将严重偏离实际运行过程中角速度曲线，在没进行惯量模拟之前的角速度 很快就会下降到零。这就不能够满足动车的动态试验要求。这是因为动车在实 际运行过程中，由于动车的质量m ( 质量即是衡量平动惯量大小的物理量) 很 大，所以在停车时刻会存储大量的平动动能。而动车在进行动态试验时，由于 车轮和轨道轮等的转动惯量本身并不大，所以在停车时刻存储的转动动能相对 动车的平动动能就很小了。动车的平动动能可以用下式来表示： e = 三1 聊v 2 ( 2 - 1 ) 铁 图2 1 动态试验与实际运行制动过程 由上述分析可知，为模拟实际运行中的制动过程，必须对动车的惯量进行 硕士学位论文第二章动车惯量模拟问题分析和缩比台架没计 模拟，使得模拟后的速度曲线与动车在实际运行过程中的速度曲线一致。而模 拟过程的本质则是通过一定的装置将动车在实际运行中的动能以一定的方式不 断的释放出去，最终使得模拟后车轮的制动角速度曲线和实际运行中的制动角 速度曲线一致。 2 1 2 飞轮模拟惯量 飞轮模拟惯量m 是利用惯性飞轮来模拟旋转机械装置或者平动物体的惯 性。飞轮是一种储藏能量的机械部件，角速度上升时吸收能量，在角速度下降 时释放能量，因此它可以用来模拟制动器的负载。 m i 泓 动- 年 ljl)l) l) 制 动 器 ( a ) 动牟平动动能 ( b ) 飞轮转动动能 图2 - 2 惯量盘转动动能与动车平动动能 如图2 2 所示，一辆质量为m ，以速度v 行驶的动车制动停止，制动器通 过刹车片与制动盘的摩擦、轴系的滚动摩擦和空气与车体的摩擦，将动车的动 能转化为摩擦功；所产生的摩擦功，将使动车停止。则摩擦功孵用下式表示： = 虿1m v 2 = j 1 聊( 等) 2 ( 2 - 2 ) 式中，一摩擦功； ，扩动车质量； r 动车行驶速度； r 车轮滚动半径； 旷车轮转速。 旋转的飞轮的动能可表达为： w ：! ，u 2 ：一1 ，( 一2 r r n ) 2 w 226 0 。 式中，形一惯性飞轮存储动能； 卜惯性飞轮能量； u 一惯性飞轮转动角速度； g - - - - 惯性飞轮转速，与车轮转速相同。 如用旋转质量动能等效模拟动车行驶动能，则有4 形，= w ， 存在四根轴，所以用口q 轴总的转动动能之和等效动车平动动能。 ( 2 3 ) 这是因为动车 硕十学位论文第二章动车惯鞋模拟问题分析和缩比台架设计 所以可以得到：i ：竺 4 式中，卜惯性飞轮质量，k g m 2 ； ，扩动车质量，k g ； r 车轮滚动半径，m ； 式( 2 4 ) 就是飞轮模拟惯量的