對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)與列車(chē)牽引復(fù)雜優(yōu)化的協(xié)同設(shè)計(jì)

1、對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)與列車(chē)牽引復(fù)雜優(yōu)化的協(xié)同設(shè)計(jì)I.A.拉季奧諾夫A.N.波波夫，公司mushenko 計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息安全研究所南部聯(lián)邦大學(xué)，俄羅斯(電話(huà):+863686368636,電子郵件:anpopovsfedu。俄i.a.radionovasmushenkosfedu.ru)。文摘：本文探討了在輪軌接觸方面，在此系統(tǒng)中關(guān)于過(guò)渡過(guò)程異步電力牽引驅(qū)動(dòng)的列車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問(wèn)題,車(chē)輪可以相對(duì)于鋼軌的過(guò)度滑移對(duì)列車(chē)牽引性能有負(fù)面影響，會(huì)增加輪對(duì)和軌道表面的磨損。列車(chē)牽引監(jiān)管機(jī)構(gòu)提出合成的一種新方法是基于理論的協(xié)同作用的控制。擬議中的列車(chē)自動(dòng)駕駛儀調(diào)節(jié)器保證復(fù)雜優(yōu)化列車(chē)牽引，即：保證輪對(duì)滑動(dòng)相對(duì)于鋼軌

2、擁有期望的速度，從而確保最大牽引力，最大限度地減少能源的損失動(dòng)力裝置的電動(dòng)牽引驅(qū)動(dòng)下改變的速度和力量的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。反過(guò)來(lái)，最后特性在操作期間提供了最大的能源效率。2015,IFAC(國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì))舉辦由愛(ài)思唯爾有限公司保留所有權(quán)利。關(guān)鍵詞：不變量、非線(xiàn)性控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最優(yōu)控制，電機(jī)控制。1.介紹 盡管鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展有著悠久的歷史，但是牽引的形成仍是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。因?yàn)樵谔囟ǖ姆矫孑嗆壵持匦匀匀皇且粋€(gè)重要的問(wèn)題。如果推力時(shí)刻超過(guò)限制級(jí)的粘連，然后車(chē)輪滑轉(zhuǎn)是可以觀(guān)察到的；車(chē)輪相對(duì)于鋼軌滑移，它對(duì)機(jī)車(chē)的牽引性能有負(fù)面的影響。出于這個(gè)原因,在現(xiàn)在和未來(lái)的機(jī)車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮附著力屬性的牽

3、引自動(dòng)調(diào)解器設(shè)計(jì)是最重要的任務(wù)之一。應(yīng)該考慮到,火車(chē)的運(yùn)動(dòng)可以保證有且僅有車(chē)輪相對(duì)于鋼軌滑動(dòng)。要保持最大推力,滑移率必須保持在一定的范圍內(nèi)，否則，如果滑移率較低，是不可能達(dá)到的最大推力如果滑移率太高，旋轉(zhuǎn)的車(chē)輪發(fā)展，如上所述，加戈和Dukkipati(1984),Verbek(1974),Isaev(1970),Kogan(2004)、馬爾可夫(2003)和Sharpan(2005)。探索輪對(duì)相對(duì)于鋼軌滑移需要各種外部因素，這些因素影響著是我們所考慮到的附著力的質(zhì)量，在輪軌接觸方面，它還需要一個(gè)詳細(xì)的分析過(guò)程。后者的問(wèn)題是研究在許多出版物(Verbek加戈和Dukkipati，1984年，19

4、74年，Isaev，1970年,Kogan,2004年馬爾可夫，2003年，Sharpan，2005年，Samme，2010年，Kolpakhch yan,2006年,Kovalevetal,2010年,Rozenfeletal,1983)。在本文中，我們研究的是在粘著特性歲跳躍發(fā)生改變的條件下，可以提供復(fù)雜優(yōu)化的機(jī)車(chē)電力牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為了設(shè)計(jì)非線(xiàn)性電力牽引驅(qū)動(dòng)器的矢量控制，我們使用協(xié)作的方法是由Kolesnikov(1994)建立的基于定向自組織原理的控制理論和控制分解的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。2電力牽引傳動(dòng)的數(shù)學(xué)表示 我們考慮電力牽引驅(qū)動(dòng)的機(jī)械部分(support-axial牽引驅(qū)動(dòng)減速

5、器)作為控制裝置。這種設(shè)備被表示為扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括輪對(duì)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，它減少輪副的軸(圖1)(Koropets,2009)。這里是牽引電力驅(qū)動(dòng)的時(shí)刻,是牽引電力驅(qū)動(dòng)和輪對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；，是轉(zhuǎn)子和輪軸的旋轉(zhuǎn)角度；，是轉(zhuǎn)子和輪對(duì)的角速度；，是在機(jī)車(chē)運(yùn)動(dòng)方向上輪對(duì)的位移和發(fā)生此位移時(shí)的速度，是帶有輪對(duì)的轉(zhuǎn)向架的縱向剛度；是帶有牽引電動(dòng)機(jī)的輪對(duì)的縱向剛度；是轉(zhuǎn)向架輪對(duì)的阻尼系數(shù)；牽引電動(dòng)機(jī)輪對(duì)的阻尼系數(shù)； 是對(duì)于鋼軌輪對(duì)的負(fù)載。 圖1 圖2圖1 支撐軸牽引驅(qū)動(dòng)減速器模型的示意圖圖2 無(wú)量綱粘附特性的依賴(lài)車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率 圖3 圖4圖3 推力的變化時(shí)刻和粘附時(shí)應(yīng)用于輪對(duì)輪滑移發(fā)展圖4 火車(chē)轉(zhuǎn)化的變化速度和

6、降低輪對(duì)速度隨著車(chē)輪滑移的發(fā)展 數(shù)學(xué)模型描述的組件之間的交互原理圖1所示的微分方程組表示 是車(chē)輪半徑，是兆瓦是減少到單個(gè)輪對(duì)的機(jī)車(chē)的質(zhì)量;(Koropets,2009)。 在現(xiàn)代觀(guān)念(Radionov和Mushenko波波夫,2014），是輪子的轉(zhuǎn)速。我們可以從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到輪對(duì)的表面粘附特性，這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是基于相對(duì)滑動(dòng)率的粘附剛度系數(shù)測(cè)得的。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以近似表示為一個(gè)曲線(xiàn)最大的粘附系數(shù)變化范圍在0.308-0.445 ，機(jī)車(chē)速度540km/ h。我們可以把這種變量看做一個(gè)無(wú)量綱的分段連續(xù)函數(shù) ，隨著最大值與其相關(guān)的最好粘附條件Koropets(2009年): （1） 粘附的時(shí)刻是由規(guī)則: （2

7、） 粘著系數(shù)決定了平移火車(chē)速度 （3） 最大推力模式的實(shí)現(xiàn)始于普通穩(wěn)定的推力模式，在這種模式中平衡點(diǎn)是升段的粘附特性，但不超越它。 輪對(duì)和軌面假設(shè)的粘著特性是相當(dāng)普遍的，然而，它們被用來(lái)探索車(chē)輪滑轉(zhuǎn)的過(guò)程，讓我們來(lái)討論一個(gè)例子，一對(duì)輪子滑動(dòng)的發(fā)展。牽引驅(qū)動(dòng)輪車(chē)輪軌跡線(xiàn)性增加的系統(tǒng)粘合失敗的推力。系統(tǒng)的模型如圖一所示是表達(dá)了影響編組牽引力的描述的補(bǔ)充（最后一個(gè)等式）： （4） 其中在列車(chē)的質(zhì)量,決定火車(chē)的特點(diǎn)的系數(shù)。運(yùn)動(dòng)阻力是寫(xiě)成火車(chē)的產(chǎn)品重量和具體的阻力,這通?？赏ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)獲得。 對(duì)于系統(tǒng)(1)-(4)，仿真結(jié)果在線(xiàn)性增加推力時(shí)刻的情況下如4和5所示。系統(tǒng)的參數(shù)應(yīng)該如下： R=0.625m;J=

8、400kgm2;m=3300kg;cm=3500kN/m;bm=10kNs/m;cx=50000 kN/m;bx=400kNs/m;P=250kN;K=3,65;a1=6;a2=0.018; a3=0.00123從圖形3和4,當(dāng)車(chē)輪滑移率超過(guò)2%,可觀(guān)察到粘著失敗時(shí)，大幅減少，火車(chē)的水平移動(dòng)V減少，而車(chē)輪轉(zhuǎn)速w增加。所以我們可以得出結(jié)論:所選數(shù)學(xué)模型充分描述了滑移現(xiàn)象的過(guò)程。 3.協(xié)同作用的推力控制器的綜合預(yù)防粘連故障系統(tǒng)中推力驅(qū)動(dòng)輪對(duì)軌跡讓我們探索一種勘探過(guò)的系統(tǒng)“推力驅(qū)動(dòng)-輪-軌”的牽引力調(diào)節(jié)器的協(xié)同設(shè)計(jì)問(wèn)題?？紤]異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（Vinogradov，2008）和方程（4）對(duì)該系

9、統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有形式（5）。在系統(tǒng)（5）種的符號(hào)有如下：usx , usy 和isx , isy 是定子電壓和電流在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸上的投影；是轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康慕^對(duì)值；Ls, Ls , Lm是內(nèi)在的、相互繞組的電感；rs ,rr是有源電阻；p為磁極對(duì)數(shù)；m是定子繞組的對(duì)數(shù)；K是減速器系數(shù)。 （5） 系統(tǒng)(4)的最后方程不包括在(5)中，因?yàn)槲覀兗僭O(shè)可以通過(guò)適當(dāng)?shù)臏y(cè)量裝置測(cè)量平移列車(chē)速度。下面這個(gè)方程用于設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)。這個(gè)方程組，與(4)的區(qū)別，粘附時(shí)刻是隨估計(jì)被替換的。粘附時(shí)刻觀(guān)測(cè)器的設(shè)計(jì)符合科列斯尼科夫在這種情況下索面熟的漸行觀(guān)察器的設(shè)計(jì)過(guò)程。它的形式 （6） 一組控制目標(biāo)的協(xié)同作用的控制理論是由一

10、群不變量指定的。機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)、電磁和能量不變量是有區(qū)別的(Kolesnikov Veselov,波波夫etal.,2006)。技術(shù)不變量的是理想的靜態(tài)或?qū)?yīng)于所需的機(jī)械動(dòng)作的技術(shù)目標(biāo)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)狀態(tài)。作為電磁不變量,我們可以選擇電動(dòng)機(jī)電和磁的穩(wěn)定條件變量。對(duì)于異步電力驅(qū)動(dòng)裝置包括:定子磁通的穩(wěn)定性或總磁通穩(wěn)定性。作為能量不變量，在電磁互感的過(guò)程中，我們可以選擇滿(mǎn)足能量損耗最小化的條件下的電機(jī)變量之間的依賴(lài)關(guān)系。如果不變量選擇過(guò)程是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的階段,根據(jù)執(zhí)行技術(shù)或者其他要求控制對(duì)象以及法的物理通道進(jìn)行數(shù)量控制。對(duì)于鼠籠式轉(zhuǎn)子的異步電動(dòng)機(jī)的電源電壓的振幅和頻率它表示在(5)中相當(dāng)于定子

11、電壓的預(yù)測(cè)參考坐標(biāo)系的x和y軸的互連的方向向量的轉(zhuǎn)子usx,usy。在這種情況下思考，技術(shù)不變量一定是保持規(guī)定的協(xié)調(diào)，這種協(xié)調(diào)根據(jù)當(dāng)前條件的輪軌之間的粘著力因?yàn)樗桥c輪對(duì)的轉(zhuǎn)速r有關(guān)。隨著能源的轉(zhuǎn)化維持轉(zhuǎn)子的互連向量yr最佳(從損失最小化的角度）值。根據(jù)達(dá)聚合監(jiān)管者(ADAR)方法的分析設(shè)計(jì)流程，我們定義了第一對(duì)宏觀(guān)變量。 （7） 滿(mǎn)足微分方程 （8） 當(dāng)， 0時(shí)，是對(duì)于使附帶方程最小化的穩(wěn)定極值的歐拉方程式 各項(xiàng)參數(shù)T1，T2決定了時(shí)間，當(dāng)特征點(diǎn)到達(dá)集合管的交點(diǎn)通過(guò)模型5方程組7和8的解，我們獲得基本的矢量控制表達(dá)式。 （9） 當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)的特征點(diǎn)落在集合管的交點(diǎn)=0，=0的領(lǐng)域內(nèi)，這個(gè)系統(tǒng)是

12、動(dòng)態(tài)分解并且其行為被描述，通過(guò)微分方程的低指令衰減系統(tǒng)。在（5）中我們得出了兩個(gè)最后方程，在最后一個(gè)方程中，我們用isx替換f1，isy替換f2。在分解系統(tǒng)中f1和f2是內(nèi)部控制渠道下一階段的合成中，我們定義了另一組變量。 （10） 滿(mǎn)足功能方程 （11） 是電動(dòng)機(jī)的正常模式操作時(shí)虧損的鋼鐵和轉(zhuǎn)子鏈接價(jià)值,它和系數(shù)取決于鋼的等級(jí)。的實(shí)現(xiàn)條件是在異步電力驅(qū)動(dòng)能量不變的情況下，假定的自動(dòng)微調(diào)轉(zhuǎn)子互連的最優(yōu)值根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的附著力的大小車(chē)輪與軌面和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(波波夫,2011)。這一行動(dòng)的“內(nèi)部”電磁變量減少水平耗散能量,從而最大限度地減少能量損失電子機(jī)器。通過(guò)同時(shí)求解方程(10),(11)我們得出分解

13、式，其內(nèi)部控制中和的表達(dá)式為：（12） 其中 根據(jù)該監(jiān)管機(jī)構(gòu)進(jìn)行聚合的分析設(shè)計(jì)的方法的過(guò)程，這個(gè)系統(tǒng)再一次被動(dòng)態(tài)的分解。其行為由減少系統(tǒng)的微分方程描述 （13） 在合成過(guò)程的最后階段,宏變量 （14） 滿(mǎn)足功能方程 當(dāng)T 0時(shí)（15）。不變量的實(shí)現(xiàn)可以假設(shè)規(guī)定車(chē)輪的滑移率是維持不變的，既滿(mǎn)足所需的不變量。 通過(guò)同時(shí)求解方程(14)，(15)我們獲得，由于分解模型(13)，表達(dá)式 （16） 表達(dá)式(9)、(12)、(16)提供了系統(tǒng)(5)的閉環(huán)控制律。4.計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng) 我們模擬系統(tǒng)(5)，(9)，(2)，(16)考慮到(1)，(2)。數(shù)學(xué)模型(5)的方程補(bǔ)充火車(chē)平移運(yùn)動(dòng)。我們模擬情況

14、跳轉(zhuǎn)的粘附情況的變化。為此，給出的變量： （1） （1）在仿真中,對(duì)于供給電壓的頻率 我們使用驅(qū)動(dòng)AD917的參數(shù) 協(xié)同作用的控制器的參數(shù)如下:圖5-12代表了閉環(huán)系統(tǒng)的仿真結(jié)果，當(dāng)附著力時(shí)刻以最差的方式變化通過(guò)其當(dāng)前值的瞬時(shí)偏差。仿真結(jié)果表明，減少粘連的時(shí)刻跳轉(zhuǎn)(35%以上)不會(huì)導(dǎo)致車(chē)輪滑移。相對(duì)滑動(dòng)率維持在規(guī)定的水平，火車(chē)的速度減少到當(dāng)前附著條件相關(guān)的值從而為最大驅(qū)動(dòng)力提供條件。 圖5 圖6 圖7 圖8 圖9 圖10 圖11 圖12圖5 推力的變化時(shí)刻和粘附在閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用于輪對(duì)圖6 火車(chē)轉(zhuǎn)化的變化速度和降低輪對(duì)速度的閉環(huán)系統(tǒng)圖7 無(wú)量綱粘附特性的變化圖8 輪對(duì)相對(duì)滑動(dòng)率的變化。圖9 定子電

15、流的時(shí)間響應(yīng)預(yù)測(cè)圖10 時(shí)間響應(yīng)的定子電壓預(yù)測(cè)圖11 轉(zhuǎn)子互連的時(shí)間響應(yīng)圖12 時(shí)間響應(yīng)的相對(duì)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子和車(chē)輪 通過(guò)指定一個(gè)適當(dāng)?shù)臓恳?qū)動(dòng)力的(手動(dòng)或使用一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng))，在沒(méi)有粘著時(shí)刻任意變化的不良車(chē)輪滑動(dòng)，則規(guī)定的車(chē)速可以保持不變。此外，設(shè)計(jì)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)形式轉(zhuǎn)子互連向量的最優(yōu)值根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載從而確保可能的最大性能相應(yīng)驅(qū)動(dòng)操作方式。圖13顯示當(dāng)額定(特定的驅(qū)動(dòng)模型常數(shù))和最優(yōu)根據(jù)負(fù)載(變量)的值向量保持轉(zhuǎn)子互連時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸上的負(fù)載變化的情況下，牽引異步驅(qū)動(dòng)操作的比較圖。 圖13 電機(jī)控制器的性能評(píng)價(jià)和最佳的通量 該列車(chē)牽引驅(qū)動(dòng)控制算法可以實(shí)現(xiàn)的最大推力模式下給定的粘附情況。在實(shí)際系統(tǒng)中，相對(duì)滑動(dòng)速

16、度下，車(chē)輪與軌道的最佳附著力是可變的?？紤]到公式確定車(chē)輪的附著力的時(shí)刻鐵路接觸，我們可以提出一個(gè)適應(yīng)當(dāng)前路況的算法。通過(guò)改變相對(duì)滑動(dòng)率的范圍從0到4%的值，觀(guān)察最大附著力可以確定。通過(guò)M保持這種相對(duì)車(chē)輪滑移率,最大推力模式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前的路況。5.結(jié)論 推力異步電機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)的協(xié)同設(shè)計(jì)程序?yàn)闄C(jī)車(chē)牽引的復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題提供了重要的研究進(jìn)展。該程序具有一定的特征，指出其在現(xiàn)代和未來(lái)的火車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)建設(shè)中取得成就的潛能。致謝 這項(xiàng)研究部分由俄羅斯基礎(chǔ)研究基金會(huì)贊助，批準(zhǔn)號(hào)13-08-00995-a。參考文獻(xiàn)GARG, V.K. and DUKKIPATI, R.V.(1984) Dynamics of

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