[发明专利]基于模型预测的动车组牵引力矩控制方法

说明书

本发明涉及一种基于模型预测的动车组牵引力矩控制方法，通过对各车厢速度为状态变量，各车厢的电机输出转矩为控制变量，建立动车组非线性动力学模型；将动车组非线性动力学模型离散化，建立动车组线性趋势预测模型，并构建模型预测控制器的优化目标函数与约束条件。与传统优化相比，本发明的模型预测控制采用控制时域内滚动优化的方式求解各车厢的电机输出转矩的最优控制量，并将最优控制量输出至动车组非线性动力学模型，确定各车厢速度的最优值作为状态变量反馈至模型预测控制器，控制各车厢相对速度为零。本发明通过预测模型、滚动优化和反馈校正控制，该方法鲁棒性较强，控制精度较高。

技术领域

本发明属于牵引力矩控制技术领域，尤其涉及一种基于模型预测的动车组牵引力矩控制方法。

背景技术

动车组，由至少两节带驱动力的车厢和若干节不带牵引力的车厢共同组成。纯动车组列车中每一节车厢都有动力装置，主要用于部分城市轨道交通列车。动车组通过电动机将电能转化为机械能，输出转矩传递给动轮，动轮通过与钢轨的接触和摩擦，产生对钢轨的作用力，同时钢轨对于动轮有一个与列车运行方向相同的反作用力，即动车组的牵引力。

纯动车组列车在运行中由于各节车厢之间存在相对速度，致使车厢之间相互碰撞，引起冲击与振动，造成一部分能量耗散在车端连接装置的缓冲吸能过程中。因此，纯动车组列车车厢之间相对速度为零可以有效减小列车起动，制动及调车作业时车厢相互碰撞引起的冲击与振动，从而减小对车体结构的破损及提高列车运行的平稳性。

因此，有必要针对动车组列车，设计一种动车组牵引力矩控制方法，以实现车厢之间相对速度为零。

发明内容

本发明在上述现有动车组列车牵引力矩控制不足的基础上提供了一种基于模型预测的动车组牵引力矩控制方法，采用模型预测控制方法控制电动机输出转矩，使得动车组各节车厢之间的相对速度为零，提高系统控制精度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于模型预测的动车组牵引力矩控制方法，包括：

以各车厢速度为状态变量，各车厢的电机输出转矩为控制变量，建立动车组非线性动力学模型；

将动车组非线性动力学模型离散化，建立动车组线性趋势预测模型；

构建模型预测控制器的优化目标函数与约束条件，求解各车厢的电机输出转矩的最优控制量；

将最优控制量输出至动车组非线性动力学模型，确定各车厢速度的最优值作为状态变量反馈至模型预测控制器，控制各车厢相对速度为零。

优选的，建立动车组非线性动力学模型的方法为:

考虑动车组各车厢牵引力、基本阻力、以及相邻车厢相互作用力，构建多质点动车组列车模型；

其中，第i节车厢的牵引力F_{t_i}以如下公式计算：

式中，M_{t_i}为第i节车厢电机输出转矩，R_L为车轮半径；

第i节车厢的基本阻力F_{f_i}以如下公式计算：

F_{f_i}＝f(v_i)＝a+bv_i+cv_i² (2)

式中，a、b、c为常系数，v_i为第i节车厢的速度；

第i节车厢所受相邻车厢相互作用力以如下公式计算：

F_{i_f}-F_{i_b}＝g(v_i-1-v_i)-g(v_i-v_i+1) (3)