[发明专利]一种高速受电弓多目标有限频域控制器设计方法

权利要求书

1.一种高速受电弓多目标有限频域控制器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立受电弓-接触网系统的数学模型，包括接触网的非线性有限元数学模型、三自由度受电弓模型；

步骤2：获得接触力波动的先验信息，通过功率谱密度分析接触力波动的频域特性，分析其频率成分及主导频率；

步骤3：设计多目标有限频域控制器，具体为：

步骤3.1：控制目标的确立；减小实时接触力与参考值之间的差值：e(t)＝F_r-F(t)，式中：e(t)为实时接触力F(t)与参考接触力F_r之间的差值；将主动控制力限制在合理范围内：|u(t)|≤u_max，式中：u_max为允许的最大控制力；

步骤3.2：建立面向控制的弓网系统模型；将接触力的跟踪误差作为状态变量，增广至简化的状态空间模型，根据控制目标设置系统输出，建立面向控制的弓网系统模型：

式中：A、B₁、B₂、C₁为系统状态控制空间方程的系数矩阵；

步骤3.3：设计多目标控制器；给定标量γ，η和ρ，若存在正定矩阵Q，P，H和普通矩阵F满足下列线性矩阵不等式组

其中：M₂₂＝M₁₁,M₁₂＝-M₂₁，则状态反馈增益矩阵表示为：K＝QP^-1；式中：‘*’表示矩阵对应块的转置，为弓网系统增广矩阵的系数矩阵；

步骤4：设计受电弓状态估计器，具体为：

步骤4.1：建立面向状态估计的弓网数学模型，将弓网系统状态空间模型离散化，得面向状态估计的弓网系统数学模型：

式中：w_k为系统噪声项；v_k为量测噪声项；y_k为测量输出；C_k＝[1,0,1,0,1,0]；x_k、A_k、B_k、u_k分别与x、A、B₂、u对应；

步骤4.2：测量受电弓弓头、上框架和下框架的位移，测量值包含噪声，通过以下步骤获得受电弓弓头、上框架和下框架的位移和加速度；

输入：Q，q，

P_k-1|k-1＝S_k-1|k-1S_k-1|k-1'

P_k|k-1＝S_k|k-1S_k|k-1'

结合状态估计器和控制器，主动控制力u(t)表示为：

2.如权利要求1所述的一种高速受电弓多目标有限频域控制器设计方法，其特征在于，所述建立接触网的非线性有限元数学模型具体为：

将接触线和承力索当作非线性索单元，将吊弦当作非线性杆单元，建立接触网的有限元模型，写为基本的动力学平衡方程：

式中：M_c、C_c、K_c分别为接触网单元的全局质量、全局阻尼和全局刚度矩阵；x_c分别为有限单元节点的加速度、速度和位移矩阵；f_c为接触网的外力向量。

3.如权利要求1所述的一种高速受电弓多目标有限频域控制器设计方法，其特征在于，所述建立三自由度受电弓模型具体为：

将受电弓弓头、上框架和下框架分别等效为集中质量点，各个质量点之间由并联的阻尼器和弹簧连接；弓头质量点受向下的接触力作用，下框架质量点受静态抬升力和主动控制力作用，建立受电弓三自由度数学模型：

式中：M_p＝diag(m₁,m₂,m₃)；diag表示角对称矩阵；F_p＝[F_pc,0,u]'；m₁、m₂、m₃分别表示受电弓弓头、上框架和下框架的等效质量；c₁、c₂、c₃分别为三质量块受电弓模型中弓头与上框架、上框架与下框架、下框架与基座之间的阻尼值；k₁、k₂、k₃分别为三质量块受电弓模型中弓头与上框架、上框架与下框架、下框架与基座之间的刚度值；x₁、x₂、x₃分别表示受电弓弓头、上框架和下框架的垂向位移；分别表示受电弓弓头、上框架和下框架的垂向速度，即对相应变量求导；u表示主动控制力。