一种重载机车滑模极值搜索最优粘着控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种重载机车滑模极值搜索最优粘着控制系统及方法，可实现重载机车粘着控制。其中所述重载机车粘着控制模块，包括：超螺旋滑模控制器、微分跟踪器、负载转矩和粘着系数观测器、滑模极值搜索单元可实现重载机车牵引电机转矩的动态闭环控制。在重载机车电机模型矢量控制基础上，结合滑模极值搜索方法，设计粘着系数观测器，实时估测出轮轨粘着系数，使机车在外界复杂环境下运行于最佳粘着点附近，有效发挥了牵引电机功率，实现了重载机车的最优粘着控制，可广泛应用于重载机车最优粘控制的场合。

An optimal adhesion control system and method for heavy duty locomotive sliding mode extremum seeking

The invention discloses an optimal adhesion control system and method for heavy duty locomotive sliding mode extremum seeking, which can realize the adhesion control of heavy duty locomotive. The heavy duty locomotive adhesion control module includes: Super spiral sliding mode controller, differential tracker, load torque and adhesion coefficient observer, sliding mode extremum search unit, which can realize dynamic closed loop control of heavy haul locomotive traction motor torque. In the heavy haul locomotive motor vector control model based on the combination of extremum search method, the design of the adhesion coefficient observer, real-time estimation of the adhesion coefficient of wheel / rail, the locomotive in the outside world under the complex environment running near optimal adhesion points, and effectively exert the power of traction motor, the optimal adhesion of heavy haul locomotive control, can be widely used in heavy load the optimal control of the locomotive sticky situations.

【技术实现步骤摘要】
一种重载机车滑模极值搜索最优粘着控制系统及方法
本专利技术提供了一种重载机车粘着控制系统及方法，尤其涉及了一种重载机车滑模极值搜索最优粘着控制方法。
技术介绍
随着我国货运运输量的不断增加，重载铁路运输发挥着越来越重要的作用。重载铁路运输相对客运列车相比，要求重载机车能够提供更大的牵引力和制动力，机车牵引力和制动力是靠机车轮对和钢轨间接触面之间的粘着力实现的。若外界环境突变，会导致粘着利用率下降，可能会发生粘着异常，机车牵引力便会大于粘着力，机车发生空转，导致粘力不能充分利用，危害到机车运行。滑模极值搜索控制是一种在线不断寻优方法，在不知道性能函数和搜索变量条件下，仍能使系统输出最大值。运用滑膜极值搜索算法，对蠕滑速度实时寻优，控制轮轨间的粘着力获得最优值，克服重载机车在运行过程中粘着利用率偏低的实际问题，实时对重载机车转矩进行控制，实现了机车的最优粘着利用，提高了机车的牵引转矩性能。
技术实现思路
本专利技术提供了一种重载机车粘着控制系统及方法，结合滑模极值搜索算法，解决重载机车最优粘着控制问题。本专利技术提供了一种重载机车滑模极值搜索最优粘着控制系统及方法，所述方法包括：步骤1，设计超螺旋滑模控制器，输出控制转矩Tm；式中，Jm为电机转动惯量，Rg为轮传动比，J为轮对转动惯量，Fμ为牵引电机产生的牵引力，M为重载机车整车重量，Fd为运行阻力，为最佳蠕滑速度微分，γ1、γ2为控制器待设计参数，σ为设计滑模面；步骤2，由输出控制转矩Tm、负载转矩和粘着观测器计算的反馈转矩信号做差输入到转矩控制器；步骤3，坐标变换单元根据信号采集单元的输出信号uab、ubc、iab、ibc输出dq轴电流id、iq；步骤4，负载转矩和粘着系数观测器根据dq轴电流id、iq，轮对速度vd，计算输出转矩反馈信号形成了转矩的动态闭环控制；步骤5，滑模极极值搜索单元根据粘着系数观测值轮对速度vd、车体速度vt，输出机车最佳蠕滑速度步骤6，微分跟踪器根据最佳蠕滑速度计算输出最佳蠕滑速度微分值步骤7，根据控制器输出输出dq电压信号uα、uβ，产生三相占空比可调的SVPWM调制波，SVPWM输出信号作为三相桥式逆变电路的开关通断控制信号。进一步的，步骤4的具体过程为：步骤4.1，设计全维状态观测器，满足：计算可得其中，ωm为电机角速度，W重载机车轴重，g为重力加速度；步骤4.2，由电机负载转矩计算粘着系数进一步的，步骤5的具体过程为：步骤5.1，给定常数p，定义滑模面s(t)＝μ(vs)-g(t)，其中g(t)为参考函数；步骤5.2，最佳蠕滑速度一阶导数定义为其中，k、β为设计常数；步骤5.3，根据最佳蠕滑速度最佳蠕滑速度微分轮对速度vd、车体速度vt，设计控制律步骤5.4，由控制转矩Tm控制机车模型，输出粘着系数y＝μ(vs)，输出函数y随着g(t)的变化而变化，从而使系统输入蠕滑速度vs向极值点运动，最后收敛到极值点的一个邻域内。本专利技术另一方面提供一种重载机车粘着控制系统，所述系统包括：包括重载机车粘着控制模块。所述重载机车粘着控制模块包括超螺旋滑模控制器、微分跟踪器、负载转矩和粘着系数观测器、滑模极值搜索单元。负载转矩和粘着系数观测器输出端与滑模极值搜索单元输入端连接；微分跟踪器输出端与超螺旋滑模控制器输入端连接。其中，超螺旋滑模控制器，根据司机手柄转矩给定、最佳蠕滑速度给定值、最佳蠕滑速度给微分信号、轮对速度、车体速度、粘着系数观测值获取控制转矩。负载转矩和粘着系数观测器，根据坐标变换输入的电流信号负载和粘着系数观测器根据坐标变换输入的电流信号、轮对速度，计算输出牵引电负载转矩信号，控制转矩和牵引电负载转矩做差输入到控制器。进一步的，超螺旋滑模控制器，滑模极值搜索单元输出端和微分跟踪器连接；分跟踪器输出端与超螺旋滑模控制器连接，形成重载机车牵引电机转矩的动态闭环控制。进一步的，负载转矩和粘着系数观测器包括牵引电机转矩计算单元、速度传感器和电机位置观测单元、负载转矩观测器、粘着系数观测器。牵引电机转矩计算单元、速度传感器和电机位置观测单元输出端和负载转矩计算单元连接；载转矩观测器输出端和粘着系数观测器连接。本实施例提供的一种重载机车粘着控制系统及方法，可实现重载机车最优控制。运用滑膜极值搜索算法，设计粘着系数观测器，实时估测出轮轨粘着系数，使机车在外界复杂环境下运行于最佳粘着点附近，有效发挥了牵引电机功率，实现了重载机车的最优粘着控制，可广泛应用于重载机车粘控制的场合。附录图说明图1为重载机车粘着控制模块流程示意图图2为根据本专利技术实施例一的重载机车滑模极值搜索最优粘着控制方法结构示意图图3为根据本专利技术实施例二的重载机车粘着控制模块图图4为根据本专利技术实施例三的滑模极值搜索算法原理图在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术作进一步说明。实施例一图1为实施例一的重载机车粘着控制模块流程示意图，所述方法包括如下步骤，包括：步骤1，设计超螺旋滑模控制器，输出控制转矩Tm；式中，Jm为电机转动惯量，Rg为轮传动比，J为轮对转动惯量，Fμ为牵引电机产生的牵引力，M为重载机车整车重量，Fd为运行阻力，为最佳蠕滑速度估测值微分，γ1、γ2为控制器待设计参数，σ为设计滑模面；步骤2，由输出控制转矩Tm、负载转矩和粘着观测器计算的反馈转矩信号做差输入到控制器；步骤3，坐标变换单元根据信号采集单元的输出信号uab、ubc、iab、ibc,输出dq轴电流id、iq；步骤4，负载转矩和粘着系数观测器根据dq轴电流id、iq，轮对速度vd，计算输出转矩反馈信号形成了转矩的动态闭环控制；步骤5，滑模极极值搜索单元根据粘着系数观测值轮对速度vd、车体速度vt，输出机车最佳蠕滑速度步骤6，微分跟踪器根据最佳蠕滑速度计算输出最佳蠕滑速度微分值步骤7，根据控制器输出输出dq电压信号uα、uβ，产生三相占空比可调的SVPWM调制波，作为三相桥式逆变电路的开关通断控制信号；进一步的，步骤4的具体过程为：步骤4.1，设计全维状态观测器，满足：计算可得其中，ωm为电机角速度，W重载机车轴重，g为重力加速度；步骤4.2，由电机负载转矩计算粘着系数进一步的，步骤5的具体过程为：步骤5.1，给定常数p，定义滑模面s(t)＝μ(vs)-g(t)，其中g(t)为参考函数；步骤5.2，最佳蠕滑速度一阶导数定义为其中，k、β为设计常数；步骤5.3，根据最佳蠕滑速度最佳蠕滑速度微分轮对速度vd、车体速度vt，设计控制律步骤5.4，由控制转矩Tm控制机车模型，输出粘着系数y＝μ(vs)，输出函数y随着g(t)的变化而变化，从而使系统输入蠕滑速度vs向极值点运动，最后收敛到极值点的一个邻域内。实施例二本实施例的重载机车滑模极值搜索最优粘着控制方法用于执行上述重载机车粘着控制。图2为根据本专利技术实施例二的整体结构示意图，具体包括：三相电源1、整流电路2、三相桥式逆变电路3、信号采集单元4、永磁同步电机PMSM5、坐标变换单元6、电压空间矢量SVPWM7、控制器8、重载机车粘着控制模块9、司机手柄转矩给定10、轮速和车速信号采集单元11。具体的，由三相电源给整流电路供电，整流电路输出作为三相桥式逆变电路的输入。信号采集单元采集逆变电路输出的大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种重载机车滑模极值搜索最优粘着控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，设计超螺旋滑模控制器，输出控制转矩Tm

【技术特征摘要】
1.一种重载机车滑模极值搜索最优粘着控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，设计超螺旋滑模控制器，输出控制转矩Tm式中，Jm为电机转动惯量，Rg为轮传动比，J为轮对转动惯量，Fμ为牵引电机产生的牵引力，M为重载机车整车重量，Fd为运行阻力，为最佳蠕滑速度微分值，γ1、γ2为控制器待设计参数，σ为设计滑模面；步骤2，由输出控制转矩Tm、负载转矩和粘着观测器计算的反馈转矩信号做差输入到控制器；步骤3，坐标变换单元根据信号采集单元的输出信号uab、ubc、iab、ibc输出dq轴电流id、iq；步骤4，负载转矩和粘着系数观测器根据dq轴电流id、iq，轮对速度vd，计算输出转矩反馈信号形成电机转矩的动态闭环控制；步骤5，滑模极极值搜索单元根据粘着系数观测值轮对速度vd、车体速度vt，输出机车最佳蠕滑速度步骤6，微分跟踪器根据最佳蠕滑速度计算输出最佳蠕滑速度微分值步骤7，根据控制器输出输出αβ电压信号uα、uβ，产生三相占空比可调的SVPWM调制波，SVPWM输出信号作为三相桥式逆变电路的开关通断控制信号。2.根据权利要求1所述重载机车滑模极值搜索最优粘着控制方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程为：步骤4.1，设计负载转矩全维状态观测器，满足：计算可得其中，ωm为电机角速度，W重载机车轴重，g为...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵凯辉，李燕飞，张昌凡，何静，李祥飞，李鹏，殷童欢，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43