（电力电子与电力传动专业论文）机车速度智能调节系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t e l e c t r i cl o c o m o t i v et r a n s m i s s i o nc o n t r o ld e v i c e s a so n eo ft h ek e yt e c h n i c a l e q u i p m e n t 。i st h e ”n e r v ec e n t e r a n dt h e ”b r a i n s o fe l e c t r i cl o c o m o t i v e a tp r e s e n t ， s s 4e l e c t r i cl o c o m o t i v ed r i v ec o n t r o ls y s t e mi sb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i cc o n t r o l a n dc l o s e d - l o o pc o n t r o ls t r u c t u r e i t sc u r r e n ta n ds p e e dr e g u l a t o r sa r ea n a l o g r e g u l a t o r sw i t ht h ea n a l o go p e r a t i o n a la m p l i f i e r s a sm a i nc o m p o n e n t s t h e p a r a m e t e r so ft h i sk i n do fa n a l o gc o n t r o l l e ra r ef i x e d ，t h ec o n t r o ls t r u c t u r ei s s i m p l e ，s t a b l ea n de a s yt oa c h i e v ei np r o je c t h o w e v e r , t h ea d j u s t m e n tp r o c e s s d e p e n d so no b je c tm o d e lp a r a m e t e r so ft h es y s t e m ，a n dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e a n dr o b u s t n e s so ft h ec o n t r o ls y s t e mi sp o o r f o rt h ef e a t u r e so fm u l t i - t a r g e t ，l a r g el a g ，n o n l i n e a ri nt h ep r o c e s so ft r a i n o p e r a t i o n ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fd ce l e c t r i cl o c o m o t i v ea n dt h e p r i n c i p l ea n dm e t h o d so ft r a n s m i s s i o ns y s t e m i ta l s or e s e a r c h e df u z z yc o n t r o l t h e o r ya n dt h em e t h o da p p l i e di nt h ee l e c t r i cl o c o m o t i v et r a n s m i s s i o nc o n t r o l s y s t e m t h ee x i s t i n gd cs p e e dc o n t r o ls y s t e mo ne l e c t r i cl o c o m o t i v ed e p e n d so n t h em o d e lo fo b j e c t ，w i t hp o o rr o b u s t n e s sa n da n t i - d i s t u r b a n c ec a p a c i t yi sn o t s t r o n g t h ep a p e ra t t e m p t e dt oa p p l i e df u z z yc o n t r o lt ot h ec o n t r o ls y s t e mo f e l e c t r i cl o c o m o t i v e t h ep a p e rd e s i g n e da s p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m w h i c h c o m b i n e df u z z yc o n t r o lr e g u l a t o ra n dp ic o n t r o lr e g u l a t o r t h en e ws p e e d r e g u l a t i o nh a dm v a n t a g e so f b o t ho ft h et w oc o n t r o lt h e o r i e s ，s u c ha st h er a p i da n d s t r o n gr o b u s t n e s so ff u z z yc o n t r o la n dt h eh i g hp r e c i s i o no fp ic o n t r o lw h i c hc a n i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mo ne l e c t r i cl o c o m o t i v e s w i t hm a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o nt o o l sb a s e do nt h es p e e di n t e l l i g e n t c o n t r o ls y s t e mo fl o c o m o t i v ew h i c hd e s i g n e di nt h ep a p e r , t h ep a p e rg a v et h e r e s u l t so fs i m u l a t i o na n da n a l y s i sw h e nt h el o a d ，v o l t a g ea n dc i r c u i tp a r a m e t e r s c h a n g e d f i n a l l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h em a i nf u n c t i o no ft h es y s t e ma n dt h e m e t h o do fd e s i g n k e yw o r d s ：e l e c t r i cl o c o m o t i v e ，l o c o m o t i v ep r i n c i p l e ，s p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m ， f z z yc o n t r o l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密日，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：立罕伽 指导老师签名： 啬州 日期：妒召6 、p 日期：沪阿妒，多，汐 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 提出了把模糊控制应用于交直电力机车速度调节系统的方法，把模糊控 制和p i 控制相结合设计了机车速度智能调节系统。 ( 2 ) 对设计的速度智能调节系统进行了仿真分析，验证了设计方案的可行 性。 ( 3 ) 对系统的主要功能模块进行了软硬件的设计。 学位论文作者签名： 王牟佛 日期：砂耐年月产日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 控制理论的发展 第一章绪论 近半个世纪以来，自动控制理论经历了经典控制理论和现代控制理论两 个重要的发展阶段。 4 卜5 0 年代，经典控制理论以调节原理为基础主要解决单变量系统的反 馈控制，它本身是利用误差信号进行反馈控制。 6 卜7 0 年代，现代控制理论以数学模型为基础着重解决多变量系统的优 化控制问题，它的本身是对系统的熟悉模型进行分析以数学模型为基础设计 控制器。然而，随着科学技术的高度发展，自动控制对象越来越复杂，而人 们对控制性能的要求却日益提高。一个复杂系统的突出表现是它的多输入、 多输出变量间的强藕合性、系统参数的时变性、系统结构的严重非线性与不 确定性。因此，传统控制理论单纯基于精确的系统数学模型的控制特点使得 在实际应用中遇到不少难题，主要表现在以下几点：1 、实际系统由于存在复 杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性等，一般无法获得精确的数学 模型。2 、研究这些系统时，必须提出并遵循一些苛刻的线性化的假设，而这 些假设在应用中往往与实际不相吻合。3 、对于某些复杂的和包含不确定性的 控制过程，根本无法用传统数学模型来表示，即无法解决建模问题。4 、为了 提高控制性能，传统控制系统可能变得很复杂，从而增加了设备的投资，降 低了系统的可靠性。电子计算机的高速发展，在客观上提供了必要的技术手 段，自动控制理论发展到另一个新阶段智能控制，即以模糊控制、人工神经 网络控制、非线性解藕控制、变结构控制等各种新的控制策略为基础的控制 技术。 1 2 我国铁路的发展方向 重载从1 9 世纪开始，铁路有了巨大的发展，因为与其他交通工具相比， 它有许多优点，包括：安全、舒适、运输能力大、速度快、能耗低和对环境影 响小等等。我国是发展中国家，当前，铁路是主要的客运和货运工具，随着 国民经济发展、人民生活水平逐步提高，铁路发展与经济发展产生了矛盾， 铁路发展速度不能满足国民经济的发展和人民生活水平提高的要求，随着经 济的发展，这种矛盾越来越突出，矛盾的焦点之一是铁路运营速度、机车运 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 载能力不能满足人民的需要，因此发展高速铁路和重载运输势在必行。 结合我国铁路运输的实际，研制我国的重载列车运行速度控制系统是十 分必要的。铁路重载运输是2 0 世纪7 0 年代出现的一项铁路运输技术，目前 已经成为国际铁路货运技术发展的重要方向。铁路重载技术的发展是以国产 化为前提的，铁道部制定总原则来加速铁路技术发展步伐，实施科教兴路战 略，坚持自主创新与引进国外先进技术相结合，高新技术与应用技术并重， 走有中国铁路特色的技术创新发展道路。速度、运量的提高与保持主要依靠 列车自动控制系统的性能，传统的列车自动控制系统采用简单闭环控制，控 制系统的性能主要取决于司机的操纵水平，现代的列车自动控制系统应当采 用现代控制策略，即利用模糊控制、自适应控制、神经网络控制等技术来建 立列车自动控制系统的控制模型。 1 3 列车自动控制系统 1 3 1 概述 铁路部门开发了多种列车自动控制系统，简称列控系统( a t o s ) ，每一种 a t o s 侧重于不同的功能。在列控系统的发展中，按照自动等级和功能，分为 四种类型，即行车指挥自动化系统( a t s s ) 、列车自动防护系统( a t p s ) 、列车 自动控制系统( a t c s ) 和列车自动驾驶系统( a t d s ) 。它们功能是逐渐加强的， 即后者包括前者，其关系如下图： 图l 一1 列车自动操纵关系图 这四种列控系统的侧重不同，执行着不同的作用： 1 a t s s 的主要功能是当列车速度超出允许速度时警告司机，并在司机听 到警告后而没有采取任何措施时采取紧急制动来保证列车安全。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 2 a t p s 主要功能是保证列车运行系统安全工作的基础设备，提供速度限 制信息以保持列车之间的安全间隔，使列车在符合区段限制速度的标准速度 下运行。当两列或多列车竞争使用同一区段时，保证同一时间内只有一列车 占用该区段同时能检测列车的实际位置，限制列车在安全速度以下运行，保 证列车的安全制动距离。 3 a t c 是列车速度控制装置，保证列车安全舒适、准时，也称为列车自 动控制系统，由地面设备和车载设备组成。 a t c 的功能是： ( 1 ) 避免任何事故，保证列车安全： ( 2 ) 缩短列车模块信号的转换时间间隔； ( 3 ) 提高运输能力和效率： ( 4 ) 提高列车运行质量，即运行舒适性。 4 a t d s 能实现列车的自动驾驶，系统自动控制列车启动、加速、恒速和 减速到停车，保证列车运行安全和完成运行计划。 列控系统是保证列车能够安全、高效、正点运行的有效手段，是高速铁 路迅速发展的重要支柱之一。自从1 9 6 0 年以来，铁路部门已经采取多方努力 来发展和投入使用更精确、更先进的控制系统，最近，由微电子技术、信息 控制技术支持的快速反应过程己经迅速应用在铁路系统中。 1 3 2 西方国家的列控系统 世界上每一个国家的铁路部门投入大量的资金研制和发展列车运行系 统。许多国家在列车上安装了列车自动防护系统( a t p s ) 和列车自动控制系统 ( a t c s ) 口1 。日本首先在东京到北海道的新干线上应用a t c s 。法国在t g v 高 速铁路线和t g v 北部线采用了两种不同的a t c s 。而德国采用了新型a t c s f r s 信号装置和l z b 型列车控制装置。法国和德国的列控技术在世界处 于领先地位。 德国和法国的自动控制系统主要以防超速功能、制动距离短为主要目的， 以安全为中心，从而忽视了列车运行平稳性。另外列车在制动时不能形成平 滑的制动曲线，如何处理速度阶跃变化产生的列车不稳定现象是机车控制系 统需要解决的问题。 1 3 3 我国的列控系统 我国铁路部门在“九五期间加大力气发展列控系统，四大干线的提速 加快了列控系统的研制和应用，目前我国列车控制系统，逐渐形成了以车载 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 信号为主的新型列控系统，具有超速防护、自动停车等功能，但相应的也出 现了许多问题有待于去研究和解决，其中一个比较重要的问题就是列车运行 的智能控制。而目前，中国铁路除了有列车自动停车系统和列车超速防护系 统外，能够完全控制列车速度稳定运行的智能控制系统尚处在研究阶段。 我国的列车速度控制系统，根据不同的控制技术，主要有两种，即速度 分级控制( s g b c ) 和速度一距离控制( s d p c b c ) 两种方式，s g b c 的优点是采用了 更细微的系统信息，但缺点是列车运行间隔时间长，效率低，只能应用在列 车低密度区段。s d p c b c 优点是提高了平滑性和持久性，去掉了预留安全分区， 缩短了列车运行间隔，提高了运行效率，缺点是没有反映列车属性的高度离 散性和不确定性，因为控制模式是建立在许多经验公式基础上的，而其中包 含了许多离散性和不确定性，因此，尽管控制决策提高了，但不是最好的模 式，因此有必要研究更优的控制模式。 由于列车本身是一个多变量、动态离散的、复杂的非线性系统，这就决 定了采用曲线控制方法的列车在运行中不能动态识别各种外界干扰、停出站 等影响速度变化因素，对列车的安全性、准时性等，不能满足要求。如图卜2 ， 列车进站停车时，列车的实际停车点p 与所要求的停车点p o 有一个很大的偏 差，实际制动点p 就会在p 1 与p 2 之间变化。实际上p 的变化范围很大，约 有1 0 0 米左右。 p lp o p 2 s ( 删 图1 - 2 列车制动停车距离示意图 造成这种情况的原因有下面几种： 首先，这种模式曲线是在入口速度和出口速度一定的情况下，按照最大 常用制动计算出来的，而实际运行中，列车可以采用一般常规制动或者特殊 情况下采用紧急制动； 其次，列车运行阻力和附加阻力是与列车速度、环境温度、雨、雪、冰 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 雹、风等气候条件有关，因此存在很大的不确定性； 第三，车辆制动力是受轮轨粘着力限制的，而粘着力是山粘着系数决定 的。试验表明，粘着系数与线路条件和气候有关，即使在线路及气候条件相 同的条件下，粘着系数的波动范围也很大； 最后，列车中各车辆闸瓦压力各不相同，闸瓦的摩擦性能与运行速度、 制动初速、运行时间、闸瓦温度、环境温度以及闸瓦表而沾水量等条件有关。 上述不确定性因素主要影响下列参数：列车单位基木阻力，单位空气制动 力，有效制动距离。 因此，新型列车自动驾驶系统必须具有如下功能：列车能根据线路曲线、 制动模式及机车输出功率来控制行车，即列车既不受外界干扰又能随时跟随 线路变化情况来控制运行。 1 4 列控系统当前存在的问题 现代铁路运输对高速、重载、舒适性、安全性和改善司机的劳动条件提 出了愈来愈高的要求。它有力的促使与牵引动力以及牵引运行有关的各种控 制装置不断提高其控制性能和调节精确性，以满足铁路运输迅速发展的需要。 然而，牵引动力至今使用的控制和调节技术，在不断的改进和提高中，逐步 达到了其功能极限。因此各类控制装置的性能要有大的提高和发展，其控制 技术必须有新的突破。列车自动控制系统在3 0 年的使用间变化不多，如今， 在提高列车速度，满足重载运输方面出现了不足： l - 由于牵引吨位的不同和线路坡道的变化使得列车自动控制系统不能及 时的调整参数。 2 起车时加速度低，、速度变化平稳但有冲击： 3 恒速时受外界干扰有振动： 4 列车启动和停车时有冲撞，并且仅靠自动控制不能达到准时整点： 由于列车运行的大量的不确定性，列车起动距离及平稳性、制动距离及 冲撞性在相同的环境条件下是不同的。正是由于列车运行过程的复杂性，使 得如何实现列车运行过程的高品质控制一直成为铁路自动化领域的“瓶颈 问题之一。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 5 论文主要目的及内容安排 1 5 1 论文主要目的 本文把模糊控制方法应用在列车自动控制系统中，结合机车现有的调速 系统，希望能以一种新的控制方式来满足列车在变速过程中的稳定性。尝试 在速度的跟随性能即稳定性上进行分析、探讨。来满足列车自动控制的要求： 1 速度变化达到平滑稳定、无静差，抗干扰、鲁棒性好。 2 在动态性能上能适应重载的复杂行车环境的要求。 3 当机车的某些参数发生变化时有一定的抗干扰能力。 仿真的结果能建立一种实际的控制系统，同时为实现列车的自动驾驶作 准备。 1 5 2 论文主要内容 本文将智能控制应用到机车调速自动控制系统的研究中，利用智能控制 理论的定性推理控制策略与传统控制理论的定量计算控制策略的结合，使直 流调速系统具有更完善的功能和更理想的性能。采用模糊控制和p i d 两者结 合的方法，扬长避短，既发挥模糊控制器的灵活而适应性强的优点，又保留 p i d 控制精度高的特点。 主要研究内容分为以下几个方面： l 、分析交直型电力机车的工作原理及其传动控制方法，提出“机车速度 智能调节系统”的结构设计方案； 2 、选择合适的模糊控制器。模糊控制器的结构选择是否合理，不仅直接 影响其性能，而且对复杂的多输入多输出耦合系统来说是至关重要 的。因此选择何种结构，选择哪些变量作为模糊控制器的信息量，以 及模糊规则的确立是设计成功的重要一环。 3 、将模糊控制应用于电力机车直流调速系统。控制系统的设计和控制方 法的选择直接影响到系统整体性能的高低，因此本课题将模糊控制方 式在电力机车调速系统中实现，加以仿真，分析输出波形。对控制系 统的性能效果进行分析、论证并给出系统主要功能模块的设计方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 概述 第二章列车运行模型分析 模型是分析控制系统的基本要素，模型建立的正确性与准确性不仅直接 影响设计的控制系统的可靠性，还决定了控制系统算法的设计与实现，因此， 建立合理而有效的列车运行模型是进行列车控制系统设计的关键。由文献 1 、 3 7 提出的整流器机车电路模型，并结合机车实例，建立本文的研究 模型。 2 2 机车牵引力 2 2 1 机车牵引力 机车牵引力是与列车运行方向相同并可由司机根据需要调节的外力。机 车动力装置发出的扭矩，经传动装置传递，在各动轮周上形成切线力，依靠 轮轨间的粘着产生由钢轨作用于各动轮周上的反作用力，从而使列车发生平 移运动。这种由钢轨作用于动轮周上的切向外力之和，即为机车轮周牵引力， 简称机车牵引力。按机械功传递顺序，机车牵引力可以分为以下几类n 1 ： 1 轮周牵引力f ：实际作用在轮周上的机车牵引力。 2 车钩牵引力f g ：除去机车阻力消耗，实际作用在车钩上的牵引力。 在列车作等速运行时，车钩牵引力与轮周牵引力有如下关系 ，：2f w 式中缈机车阻力。 机车牵引力以轮周牵引力为计算标准，即以轮周牵引力来衡量和表示机 车牵引力的大小【3 3 1 。 任何机车都是把输入的能量转化成牵引力所作外机械功的一种工具。这 种能量转换要经过若干互相制约的环节。根据各个环节的制约关系，机车牵 引力又可分为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 牵引电动机牵引力：受牵引电动机能力限制的轮周牵引力。 2 粘着牵引力：受轮轨间粘着能力限制的轮周牵引力。 2 2 2 机车粘着牵引力 轮周上的切线力大于轮轨间的粘着力时车轮就要发个空转。在不发生空 转的前提条件下，所能实现的最大轮周牵引力称为粘着牵引力。按下式计算 = 巴g ， ( 2 - 1 ) 式中 乞计算粘着牵引力，l 洲； 机车计算粘着重量，t ； ，计算粘着系数： g 重力加速度，g 9 1 8 m s 2 计算粘着系数不同于( 小于) 理论粘着系数( 轮轨间的静摩擦系数) ，它包 含了机车轴重和牵引力分配不均、运行中轴重增减载、牵引力的波动、轮轨 间的滑动( 纵向的和横向的) 等不利因素的影响，并且主要与轮轨表面清洁状 况和机车运行速度有关。 计算粘着系数的影响因素复杂，不可能用理论方法计算。只能用专门试 验得出的试验公式表达。试验公式表示在正常粘着条件下计算粘着系数和机 车运行速度的关系。粘着条件不好时可以用撤砂来改善。改进机车走行部结 构可以提高粘着系数，采用防空转装置可以提高粘着系数的利用程度。 国产各型电力机车计算粘着系数公式如下引： 竹= o 2 4 - t - 丽1 2 ( 2 - 2 ) 式中1 ，运行速度，k m h 。 2 3 列车运行阻力分析 列车运行时，作用在列车上阻止列车运行并且不能由人力操纵的外力叫 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 做列车运行阻力，用字母w 表示，单位为牛顿( n ) ，按阻力产生的原因，可 以将阻力分成两类： 基本阻力：指列车在任何情况下都存在的阻力，用表示 附加阻力：指列车在某些情况下运行时除去基本阻力外所增加的阻力，用国表 示，如：曲线、隧道内、坡道上。 2 3 1 单位基本阻力分析 试验表明，作用于机车车辆上的阻力都与其重量成正比，所以牵引计算 中一般都采用单位重量的阻力，相应的也将制动力和牵引力转换为单位力以 保持统一。 机车单位阻力 试= 形。( e xg ) n k n 车辆单位阻力 试= w ( c xg ) n k n 列车单位阻力 = 叫【( 尸+ g ) g 】n k n 上式中：尸机车质量 g 车辆质量 g 重力加速度 产生基本阻力的原因有： 单位：吨t 单位：吨t 单位：m s 2 ( 1 ) 轴承摩擦 ( 2 ) 车轮与钢轨间的滚动或滑动摩擦 ( 3 ) 车辆之间及车辆与线路间的冲击和震动引起的动能损失 ( 4 ) 列车周围空气阻力 由于以上影响基本阻力的因素复杂，而且存在大量不确定因素，因而很 难确定适用于列车任何工作条件的阻力值，实际应用中，通常是按照由大量 试验综合出的经验公式进行计算，根据试验的结果可以得到基本阻力计算的 一般通用公式为： 2a + b xv + cxv 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 式中： a ，b ，c 阻力系数，随着机车车辆的不同而不同 ，列车运行速度。 2 - 3 2 附加阻力分析 附加阻力主要包括坡道附加阻力、曲线附加阻力和隧道附加阻力。附加 阻力与基本阻力不同，受机车车辆列型的影响极小，主要决定于线路条件， 因此附加阻力不分机车、车辆、而是按照整列列车来考虑。 1 坡道附加阻力 列车在坡道上运行时，除了受基本阻力外，还受到沿轨道方向的重力分 量的影响，这个分量就是坡道附加阻力，列车上坡时，坡道附加阻力方向与 列车的运行方向相反，阻力是正值，列车下坡时，坡道附加阻力的方向与列 车的运行方向相同，阻力是负值，坡道附加阻力可根据列车本身的重量和坡 道的坡度求得，下面首先对列车运行到坡道上时的受力情况进子了分析，如 图： b g i 图2 1 坡道附加阻力分析图 然后求出其计算公式，再次，为简化分析，假设列车处于惰行工况： 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 z = l 笔1 0 0 0 _ 1 0 0 0 留( 口) ( 2 - 3 ) l a c i 一7 定义线路坡度i ，单位为千分数( ) 设车辆总重量是g i ，如图2 1 将之分解为两个力，其中分力n i 指向钢轨 且被钢轨垂直反力所平衡，另一个分力、矾与轨道平行，这就是坡道阻力，由 几何关系可知： 形= 卧g j = g 芦枷 ( 2 - 4 ) 通常线路的坡度i 都很小，可近似认为有s i n 矽= t g o ，因此单位坡道阻力： m ：坠= g i x g xs i n 0 = s i n 矽：f ( 2 - 5 ) g ixgg i g 2 曲线附加阻力w ， 列车运行进入曲线线路时，部分车轮轮缘压向轨道侧面产生滑动摩擦， 车轮与轨面的纵向和横向滑动以及转向架心盘、旁承等处的摩擦加剧，这些 因进入曲线运行而较直线运行增加的摩擦损失成为曲线附加阻力。它与曲线 半径、列车运行速度、外轨超高和轨距加宽、机车车辆的轴距和轴重等有关， 很难用精确的数学公式来描述和计算，实际运用中一般都采用经验公式计算， 其一般形式为【3 3 】： w ，：辈( 2 - 6 )w ，2 式中： 6 0 卜试验常数； r ：曲线半径，单位：m 3 隧道附加阻力w 。 隧道附加阻力不仅与隧道长度、列车长度、速度有关，还与隧道截面积、 列车外表形状等因素有关。这些复杂因素很难从理论上用一个精确的数学公 式描述，本文在计算时作为一个统一的量考虑，不单独计算隧道附加阻力。 4 其他附加阻力w q 如气候条件：大风、低温等一并归算到坡度中计算，不另行讨论，考虑 阻力的变化，可列出列车运行时的阻力计算公式，因工况不同使列车所受阻 力也不同，因此运行时阻力计算公式为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 起动时： 牵引时： 惰行时： 制动时： = x ( 尸+ g ) + ( w f + w r + 心+ ) p + g ) 形= w ：p + g ) + ( w f + w r + 心+ w g ) ( p + g ) 呒= 心( 尸+ g ) + + + k + k ) p + g ) 形= 屹( 尸+ g ) + h + w ，+ 嵋+ ) ( 尸+ g ) 式中： ，t ，w 0 ，屹分别为列车起动、牵引、惰行、制动时的基本 阻力； 尸和g 分别为机车和车辆的质量。 2 4 列车运行动态模型 2 4 1 列车运动方程 列车运动方程式表明了列车在机车牵引力、列车运行阻力和列车制动力 的综合作用下的运动特性，列车运动方程式就是列车运行过程的模型。结合 参考文献 4 2 3 ，列车运动方程的通式为： ， 争g 0 + r ) f 一剑n ( w o 川i ( 2 - 7 ) 出 州 ，j 。7 其中： g 列车重量( 包括机车及其牵引重量) ； 由列车重量及 中的单位基本阻力常数决定； 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 附加单位阻力；w = w f + w ，+ w j + ： n 一电力机车上牵引电机台数，s s 4 型电力机车n - 8 ； l + y 列车质量换算系数，取为1 0 6 , f _ 列车牵引力。 该式说明，由牵引电动机电流决定的牵引力和由线路状态决定的附加阻 力，是机车机械系统的激励，列车的运动状态在这些激励作用下不断变化。 2 4 2 电力机车主电路模型 电力机车主电路模型包括主断路器、机车主变压器、硅整流装置、平波 电抗器和牵引电动机，它是交、直流混合的。其中交流段只完成变换电压的 任务，而直流段，特别是牵引电动机担负的工作是整个电力机车的工作核心。 忽略过渡过程中磁滞与涡流影响的条件下，等效单机驱动系统的牵引电机主 电路可以近似地表示如图2 - 2 ： 。l _ k t f 图2 2 等效单机驱动系统电路图 由此，电压平衡方程： u d = 化+ 乙+ ) 警+ ( 兄+ 奶+ 砖也+ c 加 ( 2 8 ) 式中： l r = 鼹f ，r ? = , o r f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 励磁电感；墨励磁电阻；磁场削弱系数 厶主电路电枢电感；厶电抗器电感； 2 丽r b 歹 ，。电枢电流平均值；c 电动机电势常数 电机磁通量；n 电机转速； c = 旦e ( 2 - 9 ) 6 0 m 9 c 段齿轮传动比；e 电机常数；d 一车轮直径； 电机常数由下式决定： e = 篆( 2 - l o ) p 主极对数；电枢绕组有效导体数； 口电枢绕组并联支路数； 令： 口+ d + 三，= 三，r 。+ r b + r ，= r 与系统的运动程联立，得到等效单机驱动系统的状态方程： d x d t 等= 圭帆一心一c 加) ( 2 小) 业：熹卜掣(w0“)dt g 【l + 7 儿 7 j 列车有四种工况：起动工况、牵引工况、惰行工况、制动工况。工况不同， 作用于列车的力的组合也不同，因而列车的数学模型也不一样。 列车运行过程是非常复杂的，在不同的工况下，列车的运动特性都有很 大的区别，因而其控制策略和目标模型都有所不同，传统的列车控制方法如 现行模式跟踪、速度限制跟踪和其他以节能为目标的优化控制方法的控制效 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 果都低于一个优秀的熟练的司机对列车的控制效果。出现这种情况下的原因 是上述控制方法不能处理复杂环境因素对控制的影响，而且忽略了一些对控 制质量影响很大的运行目标，如运行的平稳性、停车的准确度、运行正点性 等等。但司机却能识别列车所处的状态，并且在其控制中将许多复杂的不确 定因素考虑在内。 因而要实现对列车运行的高质量的自动控制，必须是控制系统能像司机 那样具有对过程特别识别的能力，并以此为基础实施不同的控制策略已达到 不同的控制目的。 列车的运行特性在牵引状态下和制动状态下是完全不同的，即使是在制 动工况下，由于制动方式的区别，其特性也完全不同，根据列车在不同工况 下的特性区别，我们将列车运行过程划分成三个特性不同的子过程，各子过 程对应的控制区域为： 1 加速区：即列车由静止到达到目标速度的加速过程； 2 恒速区：即列车保持恒速均衡运行的过程； 3 制动区：即列车用于调速而进行的制动过程。 在加速区，列车的运行特性由机车的牵引特性所决定，此时的列车运行 模型见式( 2 1 1 ) 。 在恒速区，列车的运行特性由机车的牵引特性、动力制动的特性及惰性 特性共同决定，此时列车运行模型实际上是牵引状态的列车运行模型和制动 下列车运行模型的组合。 在制动区，列车运行特性由机车的动力制动特性( 由电阻制动特性) 所决 定，不同制动级位下的制动特性规定了列车处于此区域的过程模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第三章机车调速系统分析 3 1 电力传动系统动力学 3 1 1 电力传动系统的运动方程式 电力传动系统的运动规律可以用运动方程式来描述。作用在电动机轴上 的转矩有电动机的电磁转矩t 。和负载转矩t l 。一般来说，t 。是推动运动的， 而t l 是反抗运动的。为此我们对转矩的正方向作如下规定：在事先选定转速 n 的正方向以后，电磁转矩t e 的正方向与i 1 相同，负载转矩t l 的正方向与i 1 相反，如图3 1 所示。 图3 一l 转矩的正方向 于是根据旋转运动系统的牛顿第二定律，可得 t 一正= ，塑。 一 班 式中t 广电动机的电磁转矩，n m ： t r 折算到电动机轴上的负载转矩，n m ； h 转体的转动惯量，k g m 2 ： q 一电动机轴旋转的角速度，r a d s ； 塑一电动机轴旋转的角加速度，r a d s 2 ： d f j 塑一惯性转矩( 或加速转矩，或动态转矩) ，n m 。 d t 转动惯量j 是物理学中常用的物理量，在工程_ l z 贝l j 采用飞轮矩( 即飞轮惯 i ) g d 2 ，其单位是n m2 。j 与g d 2 之间的关系为 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 j ：肌p 2 ：g d 2 4 9 式中加一旋转部分的质量，k g ； p 一旋转部分的惯性半径，m ： g 一旋转部分的重量，n ； d 一旋转部分惯性直径，m ： 旷重力加速度，g = 9 8 m s 2 。 角速度q 与转速n ( r m i n ) 的关系为 q ：一2 n n ：翌 6 03 0 则 ，塑：三j 立：三堡塑：壁塑 以3 0 出3 0 4 9 d t3 7 5d t 式中常数3 7 5 为具有m ( m i n s ) 的量纲。于是，电力传动系统的运动方 程式可改写为 l 一疋：一g d 2 一t i n ( 3 - 1 ) 由式( 3 1 ) 可以看出，电力传动系统的运动状态是由电动机轴上的两个转 矩t e 和t l 来决定的。 ( 1 ) 当t e t l 时，d n d t 0 ，系统加速：当t e t l 时，d n d t o ，对应于图中4 、8 区： ( 3 ) e o 、e c o ，对应于图中2 、6 、l o 区： ( 4 ) e o ，对应于图中3 、7 、1 1 区。 而对于在特征点附近又可根据特征点位置的不同又可分为谷点、峰点和 平衡交叉点：谷点( e ，i ) 处偏差e 达到该区域负方向的最大处，而偏差的变化 率为零；峰点( c 、g 、k ) 处偏差e 达到该区域正方向的最大处，而偏差的变化 率为零；平衡交叉点b 、f 、j 处偏差e 处于由负方向转变为正方向，而偏差 的变化率始终为e c o 。 根据各区域的偏差和偏差变化率的变化情况结合系统控制的实际需要便 可制定出相应的控制规则： 在响应的起点a 处，偏差e 很大并且为正，而偏差的变化率e c 则接近于 零。为了得到较快的系统响应，则应将输出量的值设置最大。 对于区域l ，5 ，9 中，偏差e 正向较大，并且e c o ，有逐步增加的趋势。当 e 较大时，为加快减小负向超调，应将输出量值设为较大，而当接近平衡点附 近时，为防止正向超调则应减小输出量值。 根据以上分析可得出模糊控制规则如表4 - 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 en bn mn sz op sp m p b e cu p bn bn bn mp bz oz oz o p mn b n bn mp mz 0 p sp s p s n bn mn mp sp sp mp m z on bn sn mz op sp mp b n sn mn m n sn sp sp m p b n mz o n sn sn mz oz op b n bz 0z oz 0 n b z oz op b 表4 - 3 模糊控制规则表 4 3 4 模糊控制表及算法流程图 模糊控制中主要采用两种模糊化方法：单点模糊集合和三角形模糊集合。 这里采用单点模糊集合叫。 对于单点模糊集合，若输入量数据x 。是准确的，则通常将其模糊化为单 点模糊集合，对于本论文中的机车调速系统，对经过论域变化后的模糊量的 输入取整。设单点模糊集合用a 表示，则有 彳c x ，= 三苌二三：； 以下需要用到模糊集合中的直积运算，其定义如下： 若有两个模糊集合a 和b ，其论域分别为x 和y ，则定义在积空间x x y 上 的模糊集合a b 称为模糊集合a 和b 的直积，即 ax b = ( 口，6 ) i 口彳，b b ) 上述定义表明，在集合a 中取一元素a ，又在集合b 中取一元素b ，就构 成了( 口，b ) “序偶”，所有的( 口，6 ) 又构成一个集合。该集合即为a b 。其隶属 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 函数为 2 舢g ，y ) - m i n u 一( x ) ，鳓( 少) 】 或者爪君g ，y ) = 彳( 工) 8 ( y ) 在模糊逻辑中，模糊逻辑规则实质上是模糊蕴含关系。在模糊逻辑推理 中有很多定义模糊蕴含的方法，最常用的一类模糊蕴含关系是广义的肯定式 推理方式，即 输入：如果x 是彳。 前提：如果x 是a ，则y 是b 结论：y 是曰 此处，a ，b ，彳，曰均为模糊语言。 对于模糊前提“如果x 是a ，则y 是b ”，它表示了模糊语言a 与b 之间 的模糊蕴含关系，记为： r c = 彳一b 模糊蕴含关系的运算方法有多种，这里选择模糊蕴含的最小运算 ( m a m d a n i ) 方法，其运算过程如下式： r c = a 寸b = a x b = i _ 人口( x ，y ) x ：y 表4 3 模糊控制控制规则可写成下列条件语句形式： i fe = a ia n de c = b i t h e nu = c 4 ( i = 1 2 7 ：j = l ，2 。，7 ) 其中a ；，b j ，c v 是定义在误差、误差变化和控制量论域上x ，y ，z 的模 糊集。 这时的模糊蕴含关系可记为a b c ，其具体运算方法采用以下关系 r = a bjc = a xbxc = i 一 占 c ( x ，y ，z ) x x y x z 若有： 输入：如果x 是a a n dy 是曰。 前提：如果x 是aa n dy 是b ，则z 是c 结论：z 是c 。 则c 可根据如下的模糊推理关系得到 c = ( a b ) 。( a x b c ) = ( a b ) 。r 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 式中，r 为模糊蕴含关系，“。 是合成运算符。 表4 - 3 中所表示的规则依次为： 尺l ：如果e 是n ba n db e 是p b ，则u 是n b r 2 ：如果e 是n ma n de c 是p b ，则u 是n b r 4 9 ：如果e 是p ba n de c 是n b ，则u 是p b 上述模糊条件语句最终可以用一个模糊关系r 来描述，即 r = u 4 b xc o i j r 的隶属函数为： i t r ( x ，y ，z ) 2 一lg a f ( z ) 巧( y ) c 扩( z ) 式中x x ，y y ，z z 。 当误差、误差变化率分别取模糊集a ，b 时，输出的控制量的模糊集合u 根据模糊推理合成规则可得： u = ( 4