一种受电弓升弓气囊开关阀控制死区自动补偿方法与系统技术方案

本发明专利技术提出了一种受电弓升弓气囊开关阀控制死区自动检测及补偿方法与系统，该检测方法采用极值搜索实现开关阀死区检测，该补偿方法通过气压传感器获取受电弓气囊压力P、当前升弓气囊压强目标值r以及受电弓主动控制器未补偿输出u,并将所获得的三个状态量送给开关阀死区检测部分，依据当前控制系统状态，采用开关阀死区检测值对充气阀或者排气阀进行补偿，受电弓主动控制器将最终输出作用于开关阀。本发明专利技术所述的方法独立于受电弓的主动控制器，其作用不影响受电弓主动控制器的工作。与现有的死区检测方法相比，该死区检测方法成本低廉，不改变主动控制器的硬件结构，通过有限的系统状态数据，快速地进行高精度死区检测。

【技术实现步骤摘要】
一种受电弓升弓气囊开关阀控制死区自动检测、补偿方法与系统
本专利技术属于铁路设备自动控制领域，特别涉及一种受电弓升弓气囊开关阀控制死区自动检测、补偿方法与系统。
技术介绍
受电弓的执行机构从原来的电机驱动发展到现在的使用气囊装置对受电弓升降过程进行控制，在列车的运行过程中，受电弓主动控制器主动调节弓网之间的接触力，是接触力保持在动态稳定的范围内。受电弓气囊的开关阀门是一种非线性具有控制死区的执行装置。在开关阀门的控制零点附近存在未知的控制死区。当控制量位于控制死区内时，控制阀门处于欠驱动状态，本应该导通的气路无法顺利导通，这就会造成接触力波动，或者与目标值之间产生偏差，影响列车的受流性能，降低列车的安全运行系数。因此必须要在控制策略中加入死区检测与补偿的机制，消除死区对控制效果的影响。现有技术是一般采用固定补偿，但是这种补偿效果不好，无法根据阀门的实际情况进行动态补偿。还有通过人工实验手动测试开关阀门的方法，不仅成本高昂，而且无法彻底解决死区问题，因为开关阀门的死区具有蠕动特性，与设备运用的具体环境相关。而在实际情况下，由于高速阀个体特性、老化程度以及工作条件的差异存在，使得不同的系统具有不同的死区值。甚至对于同一套受电弓系统，在不同的风源压强下，高速阀的死区也是不同的。因此，实现高速阀死区的检测势在必行。
技术实现思路
本专利技术的目的为克服现有技术中存在的问题，提出一种针对气囊开关阀门死区的检测、补偿方法与系统，增加控制系统的输出精度以及提高控制器的稳定性。一种受电弓升弓气囊开关阀控制死区自动检测方法，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asin(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。激励信号幅值与开关阀门的死区临界点密切相关，要小于开关阀门的控制死区临界值；激励信号的角频率与主动控制器的控制周期相关；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。一种受电弓升弓气囊开关阀控制死区自动补偿方法，包括以下几个步骤：步骤1：开启受电弓主动控制系统和开关阀死区检测，获取受电弓气囊目标压强r以及开关阀死区初始检测值；所述开关阀包括充气阀和排气阀；步骤2：实时采集受电弓气囊压强P，若P与r不相等，则以上一次的开关阀死区检测值对开关阀驱动信号进行补偿，若相等，则受电弓主动控制系统处于稳压状态，结束补偿；步骤3：判断当前受电弓气囊压强P是否与目标压强相等，若相等，则受电弓主动控制系统处于稳压状态，结束补偿；否则，依据当前受电弓主动控制器输出的开关阀驱动信号u和当前受电弓气囊压强P进行开关阀死区检测，并以开关阀死区检测值对开关阀驱动信号进行补偿；其中，所述开关阀死区检测值采用上述的一种受电弓升弓气囊开关阀控制死区自动检测方法获取。进一步地，所述步骤2中对开关阀驱动信号进行补偿包括以下两种情况：当P<r时，以上一次的充气阀死区检测值作为开关阀驱动信号的补偿值；当P>r时，以上一次的排气阀死区检测值作为开关阀驱动信号的补偿值。进一步地，所述步骤3中依据当前受电弓主动控制器输出的开关阀驱动信号u和当前受电弓气囊压强P进行开关阀死区检测，并以开关阀死区检测值对对开关阀驱动信号进行补偿的具体过程如下：对受电弓主动控制器输出的开关阀驱动信号u的取值标定为-1～1；当-1<u<0时，排气阀门工作，充气阀门关闭；当u＝-1时，排气阀门的驱动信号PWM的占空比为100％，排气阀门的打开程度最大，随着u的增大，排气阀门驱动信号PWM占空比随之成比例减小，排气阀门的打开程度成比例减小；当u＝0时，充气阀门关闭，排气阀门关闭；当0<u<1时，充气阀门工作，排气阀门关闭；当u＝1时，充气气阀门的驱动信号PWM的占空比为100％，充气阀门的打开程度最大，随着u的减小，充气气阀门驱动信号PWM占空比随之成比例减小，充气阀门的打开程度成比例减小；当连续n周期内u<0且P不变化时，不断进行排气阀死区检测，并以排气阀死区当前检测值作为开关阀驱动信号进行补偿，直到受电弓气囊压强P等于r，结束开关阀死区检测，获取最新开关阀死区检测值，返回步骤2；当连续n周期内u>0且P不变化时，不断进行充气阀死区检测，并以充气阀死区当前检测值作为开关阀驱动信号进行补偿，直到受电弓气囊压强P等于r，结束开关阀死区检测，获取最新开关阀死区检测值，返回步骤2。一种受电弓升弓气囊开关阀控制死区自动补偿系统，包括：受电弓气囊压强设置单元，用于设置受电弓气囊压强目标值；受电弓主动控制器，用于输出受电弓开关阀控制信号；状态机，用于设定受电弓控制系统状态转移规则；开关阀死区检测单元，用于搜索开关阀死区临界值；逻辑选择器，依据受电弓气囊压强目标值、实时值以及受电弓主动控制器的输出信号，选择开关阀死区检测值；受电弓气囊压强实时采集单元，用于实时采集受电弓气囊压强；补偿单元，用于将逻辑选择器所选的开关阀死区检测值和受电弓主动控制器输出的受电弓开关阀控制信号叠加后，输出至开关阀驱动单元。所述开关阀死区检测单元包括排气阀死区检测单元和充气阀死区检测单元；所述排气阀死区检测单元和充气阀死区检测单元均利用极值搜索模块进行死区检测，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。有益效果与现有技术相比较：1、对于受电弓气囊的开关阀门，不需进行手动测试开关阀门的死区值，可以进行自动测试，实时的将阀门的死区控制补偿值提供给受电弓主动控制单元，动态地消除控制系统的静态残差，提高系统控制精度。极值搜索算法是基于梯度的自适应算法，适用于具有极大值或极小值的系统寻找极值的过程。它是不依赖于模型的算法，算法本身不需知道系统输入输出的对应关系，从而提高了算法的鲁棒性和有效性。在开关阀门的控制死区的检测当中，控制死区的临界点是未知的，现有技术是采用普通的对开关阀门的控制信号进行单纯地累加，如果系统具有较强的滞后特性，将很有可能出现死区补偿值超调甚至引发控制系统震荡，损害控制效果。本专利技术采用极值搜索算法与累加法相对比，具有响应快，输出自适应的特点克服了由于系统滞后而带来的控制系统震荡的缺点。2、采用本专利技术所述方法可以忽略受电弓种类的不同，忽略不同厂家阀门之间的性能差异。可以适应在不同工况下，对阀门死区的检测获得对主动控制输出的补偿值。同时本专利技术中包含的状态机可以有效地对控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种受电弓升弓气囊开关阀控制死区自动检测方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种受电弓升弓气囊开关阀控制死区自动检测方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线性变换通过采用增益为4～10的放大器实现。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述激励信号为asin(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。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，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。5.一种受电弓升弓气囊开关阀控制死区自动补偿方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤1：开启受电弓主动控制系统和开关阀死区检测，获取受电弓气囊目标压强r以及开关阀死区初始检测值；所述开关阀包括充气阀和排气阀；步骤2：实时采集受电弓气囊压强P，若P与r不相等，则以上一次的开关阀死区检测值对开关阀驱动信号进行补偿，若相等，则受电弓主动控制系统处于稳压状态，结束补偿；步骤3：判断当前受电弓气囊压强P是否与目标压强相等，若相等，则受电弓主动控制系统处于稳压状态，结束补偿；否则，依据当前受电弓主动控制器输出的开关阀驱动信号u和当前受电弓气囊压强P进行开关阀死区检测，并以开关阀死区检测值对开关阀驱动信号进行补偿；其中，所述开关阀死区检测值采用权1-4任一项所述的方法获取。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤2中对开关阀驱动信号进行补偿包括以下两种情况：当P<r时，以上一次的充气阀死区检测值作为开关阀驱动信...

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