重载电力机车最优粘着利用及防空转控制研究

发布时间：2020-04-01 22:19

【摘要】：高载荷、大轴重重载电力机车的最优粘着利用及如何实现防空转控制已成为现今机车牵引控制领域的研究热点。所谓最优粘着利用及防空转控制,是指在一定的外界环境条件下,通过控制牵引电机运动状态,进而影响机车轮轨间的粘着状态,使机车尽可能发挥出当前轨面所能允许的最大牵引力,同时避免车轮发生空转的控制方法。本文以重载电力机车作为研究对象,针对轮轨粘着系数精确观测、不确定轨面最优粘着点极值搜索算法、机车最优粘着防空转控制策略三个主要问题展开研究。主要工作如下:针对重载电力机车在运行过程中,轮轨粘着系数难以获取的问题,本文提出一种基于非奇异终端滑模观测器的轮轨粘着系数观测算法。通过对牵引电机负载转矩与机车粘着力矩之间的相互作用力矩进行分析,构建非奇异终端滑模观测器对牵引电机负载转矩进行观测,再进一步利用负载转矩观测值来估算粘着系数,有效降低一般观测器对外界参数变化的敏感性,提高轮轨粘着系数的观测精度。针对重载电力机车在复杂工况轨面运行时,轨面最优粘着点难以获取的问题,本文提出一种基于滑模极值搜索理论的轨面最优粘着点搜索算法。所提出的不确定轨面最优粘着点滑模极值搜索算法通过将粘着系数观测值作为极值搜索算法的输入信号,然后设计一系列滑模面确保机车蠕滑速度收敛至最优粘着点附近。当滑模收敛条件不再满足时,利用振荡积分环节提高搜索精度,减小误差。针对重载电力机车处于最优粘着牵引工况下,机车车轮可能发生空转的问题,本文提出一种基于非对称障碍李雅普洛夫函数的机车防空转控制算法。通过提取机车蠕滑速度为状态变量,运用非对称障碍李雅普洛夫函数特有的不对称约束边界,在稳定区和空转区的障碍边界分别进行独立设计,确保机车粘着状态被约束在一个可靠的高粘着区域,同时满足机车的高粘着利用率和防空转控制目标。最后基于Matlab/Simulink仿真环境构建机车最优粘着利用及防空转控制模型,对所提出的控制策略进行仿真验证。并利用RT-Lab半实物实验平台进行半实物实验,进一步验证所提出的控制策略的有效性。
【图文】：

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第五章基于非对称障碍李雅普洛夫函数的机车防空转控制：设计了基于非对雅普洛夫函数的防空转控制器，将稳定区和空转区的约束空间分别单独设计优粘着点稳定区和空转区单边防空转约束。将不满足非对称障碍李雅普洛夫条件的蠕滑状态通过全局蠕滑状态约束非对称障碍李雅普洛夫函数控制器进实现全局蠕滑状态最优粘着防空转设计的目的。第六章结论与展望：对全文的核心研究内容进行了总结，并对本文有待进一问题进行了展望。为方便了解本文的行文结构，附论文结构图如图 1-1 所示。

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制牵引电机发出的牵引力大于当前轨面所能提供的最大粘着力时，将会导致车轮进入空转状态，使得行车安全也无法保证。上述问题的存在会影响粘着控制系统的稳定性，因此重载电力机车基本数学模型的建立是研究粘着控制的重要基础。本章介绍重载电力机车粘着控制数学模型，机车粘着控制系统的基本任务就是防车轮空转，确保行车安全。其次，拥有一定的轨面最优粘着点搜索能力，，对于提升轮轨粘着利用率，发挥重载电力机车的牵引性能也十分必要。推导描述了重载电力机车简化模型包括：牵引电机运动方程、轮轨粘着机理、粘着特性曲线、机车简化动力学模型；然后对现有的常见粘着控制方法进行了总结；最后给出本文设计的重载电力机车粘着控制模型[31]。本章为后续章节的最优粘着搜索及防空转控制算法奠定理论基础。2.1 重载电力机车简化轮轨模型重载电力机车简化轮轨模型示意图如图 2-1 所示，机车牵引动力系统由牵引电机、齿轮箱、机车轮轨三部分组成，在重载电力机车的牵引运行过程中，电机转动力矩通过齿轮箱传递牵引力矩，驱动轮对以转速dv 旋转，车轮轴重为Wg ，轮轨之间的粘着力 Fμ驱动机车以速度tv 前行。
【学位授予单位】：湖南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U264

【参考文献】