[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

说明书

本发明公开了一种高速受电弓多目标有限频域控制器设计方法，包括以下步骤：建立弓网系统非线性模型和状态空间模型；通过功率谱密度分析接触力波动的频域特性，确定其主导频率；建立面向控制的弓网模型，确立控制目标，进而设计控制器，计算控制增益矩阵；建立面向估计的弓网模型，考虑噪声统计未知或时变的估计器设计。本发明设计的控制器利用了接触力波动的频域特性，提高了控制性能，估计器的应用和对控制力大小的限制，提高了工程实用性。

技术领域

本发明涉及电动车辆的电源线路或沿路轨相关控制器领域，具体涉及一种高速受电弓多目标有限频域控制器设计方法。

背景技术

电气化铁路中，电力机车通过车顶的受电弓与接触网滑动接触获得电能，因此，弓网之间的接触性能是保证受流质量的关键，而弓网接触力是表征其受流质量的重要指标。随着铁路运行速度的提高，弓网接触力波动加剧。接触力过大会造成弓网之间的机械磨损加大，接触力过小则会导致电弧甚至离线的发生。

Lin Y C，Shieh N C，Liu V T等针对城市轻轨系统受电弓提出了线性二次型调节器，研究了考虑作动器时滞的最优控制。Sanchez-Rebollo C，Jimenez-Octavio J R，Carnicero A等提出了不同配置的PID控制器，综合考虑了接触力和控制所耗能量。Yamashita等提出了阻抗控制器，将受电弓框架位移作为反馈信号，性能较PID控制器更优。Pisano等提出了基于二阶滑模的输出反馈控制器。Allotta等测试了PD控制器在T2006型受电弓上的性能。Chater等提出了基于Backstepping的输出反馈控制器，等等。在这些控制方法中，仅考虑了接触力的时域信息，没有利用其频域特性，没有考虑状态量的获取途径，且仅针对接触力的控制，并不利于其实际工程应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高速受电弓多目标有限频域控制器设计方法，提高实际控制性能，利于实际工程应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种高速受电弓多目标有限频域控制器设计方法，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：