一种基于EMPC的高速铁路受电弓的主动控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于EMPC的高速铁路受电弓的主动控制方法及系统，该方法首先获取受电弓运行数据，然后依据运行数据从弓网接触力‑气囊压强曲线一一映射表中选取对应的中选取相应的弓网接触力‑气囊压强曲线，获得受电弓开关阀控制变量值；根据实时采集的受电弓气囊压强反馈信号和受电弓开关阀控制变量值，采用EMPC控制策略实现受电弓的主动控制；该方法能够使得弓网之间获得合适的动态接触力，保证高速列车的良好受流。采用了EMPC原理实现了快速精准的改变气囊的压强，从而改变受电弓的抬压力，克服了服现有液压驱动和气缸调节操作过程复杂需额外添加执行机构等缺陷，实现了操作简便、成本更低的精准控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及轨道车辆的受电弓，特别涉及一种基于EMPC的高速铁路受电弓的主动控制方法及系统。
技术介绍
随着社会经济与运输行业的快速发展，高速铁路以其快速性、安全性、运输量大等特点，已经在各行各业扮演着举足轻重的角色。然而，由于列车高速行驶时，从线路到接触网参数的变化会引起受电弓-接触网接触系统的动态性能的剧烈变化，有可能使得弓网分离从而产生电弧，甚至导致电流传输中断。在弓网稳定性评价中，接触力是一个重要指标。传统的受电弓是依靠本身的机械结构和材料特性保证振动特性，难适用于不同接触网和干扰下的高速工作。主动控制方式是通过外力作用，人为的改变弓网之间的接触力，尽可能减小接触力波动。从而使弓网之间有合适的压力以实现良好受流。但是现有的控制方法需要控制多个变量或增加执行机构，非常复杂且效率低下。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于EMPC的高速铁路受电弓的主动控制方法及系统，以保证受电弓的动态性能参数得到准确控制。一种基于EMPC的高速铁路受电弓的主动控制方法，包括以下步骤：步骤1：利用MVB网络采集受电弓历史运行状态数据；所述受电弓历史运行状态数据包括受电弓控制系统状态、受电弓气囊压强、列车运行速度，受电弓位置，受电弓型号，弓网动态接触力以及受电弓上的电压；步骤2：按照历史运行状态中受电弓控制系统状态对受电弓历史运行状态数据进行分类；所述受电弓控制系统状态包括稳压、过压和欠压；步骤3：分别对各类受电弓历史运行数据中的弓网动态接触力和气囊压强进行曲线拟合，获取多组弓网接触力-气囊压强标准曲线；选用相同型号的受电弓在相同列车运行速度，且受电弓控制系统状态相同时采集的数据进行曲线拟合；步骤4：获取受电弓的气囊标准压强；实时采集受电弓的气囊压强、弓网动态接触力、受电弓型号、受电弓位置、受电弓控制系统状态和列车速度，从受电弓型号、受电弓控制系统状态和列车速度与弓网接触力-气囊压强标准曲线一一映射表中查找与当前受电弓型号、受电弓控制系统状态和列车速度对应的受电弓弓网接触力-气囊压强标准曲线，获取与当前弓网动态接触力相匹配的受电弓的气囊标准压强以及t-t+N时刻的气囊标准压强；若当前实时采集的受电弓的气囊压强与获取的受电弓的气囊标准压强不相等，则以标准曲线上t—t+N时刻的气囊标准压强为受电弓的气囊在t—t+N时刻的目标压强，进入步骤5；若相等，则继续重复步骤4；步骤5：以受电弓的控制系统各状态所在线性化分区范围最小为目标，构建受电弓的气囊压强的控制目标函数，使得受电弓的气囊压强在t+N时刻达到目标值；步骤6：以当前受电弓的实时气囊压强、列车速度以及受电弓位置数据作为输入，采用EMPC原理，对步骤5所述的控制目标函数进行求解，获得受电弓控制器在未来时间段t—t+N中输出的开关阀信号，对受电弓进行主动控制。进一步地，所述步骤2中对受电弓历史运行状态数据进行分类采用分段仿射中的多目标规划进行划分。进一步地，所述受电弓的气囊压强的控制目标函数如下：其中，U表示受电弓控制器在未来时间段t—t+N中输出的开关阀信号，U＝[ut,ut+1,...,ut+N-1]；p(t)表示受电弓在t时刻的气囊压强实际值，pt+N|t表示受电弓在t+N时刻的气囊压强实际值，pt+k|t表示受电弓在t+k时刻的气囊压强实际值；r(t)表示受电弓在t时刻的气囊压强目标值，w(t+k)为未来第k个时刻的期望输出的开关阀控制信号的序列，w(t+k)＝akp(t)+(1-ak)r(t)；a表示开关阀信号控制率期望参数，取值范围为0-1。进一步地，所述利用获得受电弓控制器在未来时间段t—t+N中输出的开关阀信号，对受电弓进行主动控制时，开关阀的死区检测按照以下过程进行：利用极值搜索算法进行死区检测，以受电弓主动控制器输出的开关阀控制信号作为输入信号，经过线性变换后输入高通滤波器滤去直流成分后，再经过解调信号获取梯度信息，对所获得的梯度信息依次进行低通滤波和积分处理，并以经积分处理后的信号和激励信号相加作为新的输入信号，直到搜索到开关阀死区临界值，以使得受电弓主动控制器输出的开关阀控制信号使受电弓升弓气囊压强达到目标值。进一步地，所述线性变换通过采用增益为4～10的放大器实现。进一步地，所述激励信号为sin(ωt)，且sin(ωt)为所述解调信号，a为激励信号幅值，取值为0.01～0.05；ω为激励信号的角频率，取值为500Hz～3000Hz。进一步地，高通滤波和低通滤波的截止周期分别为THP、TLP，THP为1/50～1/200，TLP为1/30～1/90，且积分处理中的增益为k，取值为3～8。一种基于EMPC的高速铁路受电弓的主动控制系统，其特征在于，包括：受电弓历史运行数据获取模块，用于获取受电弓历史运行状态数据；受电弓历史运行数据分类模块，用于按照历史运行状态中受电弓控制系统状态对受电弓历史运行状态数据进行分类；曲线拟合模块，用于对各类受电弓历史运行数据中的弓网动态接触力和气囊压强进行曲线拟合；选择模块，用于根据实时的受电弓型号、受电弓控制系统状态和列车速度在受电弓型号、受电弓控制系统状态和列车速度与弓网接触力-气囊压强标准曲线一一映射表中查找与当前受电弓型号、受电弓控制系统状态和列车速度对应的受电弓弓网接触力-气囊压强标准曲线；控制模块，用于根据选择模块所选的曲线采用上述的方法控制所述受电弓。所述受电弓历史运行数据分类模块，采用分段仿射中的多目标规划进行划分。有益效果本专利技术提供了一种基于EMPC的高速铁路受电弓的主动控制方法及系统，该方法首先获取受电弓运行数据，然后依据运行数据从弓网接触力-气囊压强曲线一一映射表中选取对应的中选取相应的弓网接触力-气囊压强曲线，获得受电弓开关阀控制变量值；根据实时采集的受电弓气囊压强反馈信号和受电弓开关阀控制变量值，采用EMPC控制策略实现受电弓的主动控制；该方法能够使得弓网之间获得合适的动态接触力，保证高速列车的良好受流。采用了EMPC原理实现了快速精准的改变气囊的压强，从而改变受电弓的抬压力，克服了服现有液压驱动和气缸调节操作过程复杂需额外添加执行机构等缺陷，实现了操作简便、成本更低的精准控制。附图说明图1为本专利技术所述方法的结构框图；图2为本专利技术所述方法的控制模型示意图；图3为受电弓-接触网基本示意图；图4为受电弓气囊压强—弓网接触力映射曲线示意图；图5为EMPC离线最优解状态分区和最优控制率示意图，其中，(a)为EMPC离线最优状态分区，(b)为EMPC离线最优控制率；图6为利用本专利技术所述方法进行受电弓主动控制验证平台压强跟踪效果示意图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步的说明。如图1和图2所示，一种基于EMPC的高速铁路受电弓的主动控制方法，包括以下步骤：步骤1：利用MVB网络采集受电弓历史运行状态数据；所述受电弓历史运行状态数据包括受电弓控制系统状态、受电弓气囊压强、列车运行速度，受电弓位置，受电弓型号，弓网动态接触力以及受电弓上的电压；步骤2：按照历史运行状态中受电弓控制系统状态对受电弓历史运行状态数据进行分类；所述受电弓控制系统状态包括稳压、过压和欠压；所述步骤2中对受电弓历史运行状态数据进行分类采用分段仿射中的多目标规划进行划分。步骤3：分别对各类受电弓历史运行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于EMPC的高速铁路受电弓的主动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用MVB网络采集受电弓历史运行状态数据；所述受电弓历史运行状态数据包括受电弓控制系统状态、受电弓气囊压强、列车运行速度，受电弓位置，受电弓型号，弓网动态接触力以及受电弓上的电压；步骤2：按照历史运行状态中受电弓控制系统状态对受电弓历史运行状态数据进行分类；所述受电弓控制系统状态包括稳压、过压和欠压；步骤3：分别对各类受电弓历史运行数据中的弓网动态接触力和气囊压强进行曲线拟合，获取多组弓网接触力‑气囊压强标准曲线；选用相同型号的受电弓在相同列车运行速度，且受电弓控制系统状态相同时采集的数据进行曲线拟合；步骤4：获取受电弓的气囊标准压强；实时采集受电弓的气囊压强、弓网动态接触力、受电弓型号、受电弓位置、受电弓控制系统状态和列车速度，从受电弓型号、受电弓控制系统状态和列车速度与弓网接触力‑气囊压强标准曲线一一映射表中查找与当前受电弓型号、受电弓控制系统状态和列车速度对应的受电弓弓网接触力‑气囊压强标准曲线，获取与当前弓网动态接触力相匹配的受电弓的气囊标准压强以及t‑t+N时刻的气囊标准压强；若当前实时采集的受电弓的气囊压强与获取的受电弓的气囊标准压强不相等，则以标准曲线上t—t+N时刻的气囊标准压强为受电弓的气囊在t—t+N时刻的目标压强，进入步骤5；若相等，则继续重复步骤4；步骤5：以受电弓的控制系统各状态所在线性化分区范围最小为目标，构建受电弓的气囊压强的控制目标函数，使得受电弓的气囊压强在t+N时刻达到目标值；步骤6：以当前受电弓的实时气囊压强、列车速度以及受电弓位置数据作为输入，采用EMPC原理，对步骤5所述的控制目标函数进行求解，获得受电弓控制器在未来时间段t—t+N中输出的开关阀信号，对受电弓进行主动控制。...

【技术特征摘要】
1.一种基于EMPC的高速铁路受电弓的主动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用MVB网络采集受电弓历史运行状态数据；所述受电弓历史运行状态数据包括受电弓控制系统状态、受电弓气囊压强、列车运行速度，受电弓位置，受电弓型号，弓网动态接触力以及受电弓上的电压；步骤2：按照历史运行状态中受电弓控制系统状态对受电弓历史运行状态数据进行分类；所述受电弓控制系统状态包括稳压、过压和欠压；步骤3：分别对各类受电弓历史运行数据中的弓网动态接触力和气囊压强进行曲线拟合，获取多组弓网接触力-气囊压强标准曲线；选用相同型号的受电弓在相同列车运行速度，且受电弓控制系统状态相同时采集的数据进行曲线拟合；步骤4：获取受电弓的气囊标准压强；实时采集受电弓的气囊压强、弓网动态接触力、受电弓型号、受电弓位置、受电弓控制系统状态和列车速度，从受电弓型号、受电弓控制系统状态和列车速度与弓网接触力-气囊压强标准曲线一一映射表中查找与当前受电弓型号、受电弓控制系统状态和列车速度对应的受电弓弓网接触力-气囊压强标准曲线，获取与当前弓网动态接触力相匹配的受电弓的气囊标准压强以及t-t+N时刻的气囊标准压强；若当前实时采集的受电弓的气囊压强与获取的受电弓的气囊标准压强不相等，则以标准曲线上t—t+N时刻的气囊标准压强为受电弓的气囊在t—t+N时刻的目标压强，进入步骤5；若相等，则继续重复步骤4；步骤5：以受电弓的控制系统各状态所在线性化分区范围最小为目标，构建受电弓的气囊压强的控制目标函数，使得受电弓的气囊压强在t+N时刻达到目标值；步骤6：以当前受电弓的实时气囊压强、列车速度以及受电弓位置数据作为输入，采用EMPC原理，对步骤5所述的控制目标函数进行求解，获得受电弓控制器在未来时间段t—t+N中输出的开关阀信号，对受电弓进行主动控制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中对受电弓历史运行状态数据进行分类采用分段仿射中的多目标规划进行划分。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述受电弓的气囊压强的控制目标函数如下：V*(p(t),r(t))=minUJ(U,p(t),r(t))]]>其中，U表示受电弓控制器在未来时间段t—t+N中输出的开关阀信号，U＝[ut,ut+1,...,ut+N-1]；p(t)表示受电弓在t时刻的气囊压强实际值，pt+N|t表示受电弓在t+N时刻的气囊压强实际值，pt+k|...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘剑锋，鲍佳毅，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43