本發(fā)明涉及軌道車輛的受電弓，特別涉及一種基于EMPC的高速鐵路受電弓的主動控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著社會經(jīng)濟與運輸行業(yè)的快速發(fā)展，高速鐵路以其快速性、安全性、運輸量大等特點，已經(jīng)在各行各業(yè)扮演著舉足輕重的角色。然而，由于列車高速行駛時，從線路到接觸網(wǎng)參數(shù)的變化會引起受電弓-接觸網(wǎng)接觸系統(tǒng)的動態(tài)性能的劇烈變化，有可能使得弓網(wǎng)分離從而產(chǎn)生電弧，甚至導(dǎo)致電流傳輸中斷。

在弓網(wǎng)穩(wěn)定性評價中，接觸力是一個重要指標。傳統(tǒng)的受電弓是依靠本身的機械結(jié)構(gòu)和材料特性保證振動特性，難適用于不同接觸網(wǎng)和干擾下的高速工作。主動控制方式是通過外力作用，人為的改變弓網(wǎng)之間的接觸力，盡可能減小接觸力波動。從而使弓網(wǎng)之間有合適的壓力以實現(xiàn)良好受流。但是現(xiàn)有的控制方法需要控制多個變量或增加執(zhí)行機構(gòu)，非常復(fù)雜且效率低下。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于EMPC的高速鐵路受電弓的主動控制方法及系統(tǒng)，以保證受電弓的動態(tài)性能參數(shù)得到準確控制。

一種基于EMPC的高速鐵路受電弓的主動控制方法，包括以下步驟：

步驟1：利用MVB網(wǎng)絡(luò)采集受電弓歷史運行狀態(tài)數(shù)據(jù)；

所述受電弓歷史運行狀態(tài)數(shù)據(jù)包括受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)、受電弓氣囊壓強、列車運行速度，受電弓位置，受電弓型號，弓網(wǎng)動態(tài)接觸力以及受電弓上的電壓；

步驟2：按照歷史運行狀態(tài)中受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)對受電弓歷史運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分類；

所述受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)包括穩(wěn)壓、過壓和欠壓；

步驟3：分別對各類受電弓歷史運行數(shù)據(jù)中的弓網(wǎng)動態(tài)接觸力和氣囊壓強進行曲線擬合，獲取多組弓網(wǎng)接觸力-氣囊壓強標準曲線；

選用相同型號的受電弓在相同列車運行速度，且受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)相同時采集的數(shù)據(jù)進行曲線擬合；

步驟4：獲取受電弓的氣囊標準壓強；

實時采集受電弓的氣囊壓強、弓網(wǎng)動態(tài)接觸力、受電弓型號、受電弓位置、受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)和列車速度，從受電弓型號、受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)和列車速度與弓網(wǎng)接觸力-氣囊壓強標準曲線一一映射表中查找與當前受電弓型號、受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)和列車速度對應(yīng)的受電弓弓網(wǎng)接觸力-氣囊壓強標準曲線，獲取與當前弓網(wǎng)動態(tài)接觸力相匹配的受電弓的氣囊標準壓強以及t-t+N時刻的氣囊標準壓強；

若當前實時采集的受電弓的氣囊壓強與獲取的受電弓的氣囊標準壓強不相等，則以標準曲線上t—t+N時刻的氣囊標準壓強為受電弓的氣囊在t—t+N時刻的目標壓強，進入步驟5；若相等，則繼續(xù)重復(fù)步驟4；

步驟5：以受電弓的控制系統(tǒng)各狀態(tài)所在線性化分區(qū)范圍最小為目標，構(gòu)建受電弓的氣囊壓強的控制目標函數(shù)，使得受電弓的氣囊壓強在t+N時刻達到目標值；

步驟6：以當前受電弓的實時氣囊壓強、列車速度以及受電弓位置數(shù)據(jù)作為輸入，采用EMPC原理，對步驟5所述的控制目標函數(shù)進行求解，獲得受電弓控制器在未來時間段t—t+N中輸出的開關(guān)閥信號，對受電弓進行主動控制。

進一步地，所述步驟2中對受電弓歷史運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分類采用分段仿射中的多目標規(guī)劃進行劃分。

進一步地，所述受電弓的氣囊壓強的控制目標函數(shù)如下：

其中，

U表示受電弓控制器在未來時間段t—t+N中輸出的開關(guān)閥信號，U＝[u_t,u_t+1,...,u_t+N-1]；p(t)表示受電弓在t時刻的氣囊壓強實際值，p_t+N|t表示受電弓在t+N時刻的氣囊壓強實際值，p_t+k|t表示受電弓在t+k時刻的氣囊壓強實際值；r(t)表示受電弓在t時刻的氣囊壓強目標值，w(t+k)為未來第k個時刻的期望輸出的開關(guān)閥控制信號的序列，w(t+k)＝a^kp(t)+(1-a^k)r(t)；a表示開關(guān)閥信號控制率期望參數(shù)，取值范圍為0-1。

進一步地，所述利用獲得受電弓控制器在未來時間段t—t+N中輸出的開關(guān)閥信號，對受電弓進行主動控制時，開關(guān)閥的死區(qū)檢測按照以下過程進行：

利用極值搜索算法進行死區(qū)檢測，以受電弓主動控制器輸出的開關(guān)閥控制信號作為輸入信號，經(jīng)過線性變換后輸入高通濾波器濾去直流成分后，再經(jīng)過解調(diào)信號獲取梯度信息，對所獲得的梯度信息依次進行低通濾波和積分處理，并以經(jīng)積分處理后的信號和激勵信號相加作為新的輸入信號，直到搜索到開關(guān)閥死區(qū)臨界值，以使得受電弓主動控制器輸出的開關(guān)閥控制信號使受電弓升弓氣囊壓強達到目標值。

進一步地，所述線性變換通過采用增益為4～10的放大器實現(xiàn)。

進一步地，所述激勵信號為sin(ωt)，且sin(ωt)為所述解調(diào)信號，a為激勵信號幅值，取值為0.01～0.05；ω為激勵信號的角頻率，取值為500Hz～3000Hz。

進一步地，高通濾波和低通濾波的截止周期分別為T_HP、T_LP，T_HP為1/50～1/200，T_LP為1/30～1/90，且積分處理中的增益為k，取值為3～8。

一種基于EMPC的高速鐵路受電弓的主動控制系統(tǒng)，其特征在于，包括：

受電弓歷史運行數(shù)據(jù)獲取模塊，用于獲取受電弓歷史運行狀態(tài)數(shù)據(jù)；

受電弓歷史運行數(shù)據(jù)分類模塊，用于按照歷史運行狀態(tài)中受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)對受電弓歷史運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分類；

曲線擬合模塊，用于對各類受電弓歷史運行數(shù)據(jù)中的弓網(wǎng)動態(tài)接觸力和氣囊壓強進行曲線擬合；

選擇模塊，用于根據(jù)實時的受電弓型號、受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)和列車速度在受電弓型號、受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)和列車速度與弓網(wǎng)接觸力-氣囊壓強標準曲線一一映射表中查找與當前受電弓型號、受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)和列車速度對應(yīng)的受電弓弓網(wǎng)接觸力-氣囊壓強標準曲線；

控制模塊，用于根據(jù)選擇模塊所選的曲線采用上述的方法控制所述受電弓。

所述受電弓歷史運行數(shù)據(jù)分類模塊，采用分段仿射中的多目標規(guī)劃進行劃分。

有益效果

本發(fā)明提供了一種基于EMPC的高速鐵路受電弓的主動控制方法及系統(tǒng)，該方法首先獲取受電弓運行數(shù)據(jù)，然后依據(jù)運行數(shù)據(jù)從弓網(wǎng)接觸力-氣囊壓強曲線一一映射表中選取對應(yīng)的中選取相應(yīng)的弓網(wǎng)接觸力-氣囊壓強曲線，獲得受電弓開關(guān)閥控制變量值；根據(jù)實時采集的受電弓氣囊壓強反饋信號和受電弓開關(guān)閥控制變量值，采用EMPC控制策略實現(xiàn)受電弓的主動控制；該方法能夠使得弓網(wǎng)之間獲得合適的動態(tài)接觸力，保證高速列車的良好受流。采用了EMPC原理實現(xiàn)了快速精準的改變氣囊的壓強，從而改變受電弓的抬壓力，克服了服現(xiàn)有液壓驅(qū)動和氣缸調(diào)節(jié)操作過程復(fù)雜需額外添加執(zhí)行機構(gòu)等缺陷，實現(xiàn)了操作簡便、成本更低的精準控制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述方法的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明所述方法的控制模型示意圖；

圖3為受電弓-接觸網(wǎng)基本示意圖；

圖4為受電弓氣囊壓強—弓網(wǎng)接觸力映射曲線示意圖；

圖5為EMPC離線最優(yōu)解狀態(tài)分區(qū)和最優(yōu)控制率示意圖，其中，(a)為EMPC離線最優(yōu)狀態(tài)分區(qū)，(b)為EMPC離線最優(yōu)控制率；

圖6為利用本發(fā)明所述方法進行受電弓主動控制驗證平臺壓強跟蹤效果示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的說明。

如圖1和圖2所示，一種基于EMPC的高速鐵路受電弓的主動控制方法，包括以下步驟：

步驟1：利用MVB網(wǎng)絡(luò)采集受電弓歷史運行狀態(tài)數(shù)據(jù)；

所述受電弓歷史運行狀態(tài)數(shù)據(jù)包括受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)、受電弓氣囊壓強、列車運行速度，受電弓位置，受電弓型號，弓網(wǎng)動態(tài)接觸力以及受電弓上的電壓；

步驟2：按照歷史運行狀態(tài)中受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)對受電弓歷史運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分類；

所述受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)包括穩(wěn)壓、過壓和欠壓；

所述步驟2中對受電弓歷史運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分類采用分段仿射中的多目標規(guī)劃進行劃分。

步驟3：分別對各類受電弓歷史運行數(shù)據(jù)中的弓網(wǎng)動態(tài)接觸力和氣囊壓強進行曲線擬合，獲取多組弓網(wǎng)接觸力-氣囊壓強標準曲線；

選用相同型號的受電弓在相同列車運行速度，且受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)相同時采集的數(shù)據(jù)進行曲線擬合；

步驟4：獲取受電弓的氣囊標準壓強；

實時采集受電弓的氣囊壓強、弓網(wǎng)動態(tài)接觸力、受電弓型號、受電弓位置、受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)和列車速度，從受電弓型號、受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)和列車速度與弓網(wǎng)接觸力-氣囊壓強標準曲線一一映射表中查找與當前受電弓型號、受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)和列車速度對應(yīng)的受電弓弓網(wǎng)接觸力-氣囊壓強標準曲線，獲取與當前弓網(wǎng)動態(tài)接觸力相匹配的受電弓的氣囊標準壓強以及t-t+N時刻的氣囊標準壓強；

若當前實時采集的受電弓的氣囊壓強與獲取的受電弓的氣囊標準壓強不相等，則以標準曲線上t—t+N時刻的氣囊標準壓強為受電弓的氣囊在t—t+N時刻的目標壓強，進入步驟5；若相等，則繼續(xù)重復(fù)步驟4；

步驟5：以受電弓的控制系統(tǒng)各狀態(tài)所在線性化分區(qū)范圍最小為目標，構(gòu)建受電弓的氣囊壓強的控制目標函數(shù)，使得受電弓的氣囊壓強在t+N時刻達到目標值；

所述受電弓的氣囊壓強的控制目標函數(shù)如下：

其中，

U表示受電弓控制器在未來時間段t—t+N中輸出的開關(guān)閥信號，U＝[u_t,u_t+1,...,u_t+N-1]；p(t)表示受電弓在t時刻的氣囊壓強實際值，p_t+N|t表示受電弓在t+N時刻的氣囊壓強實際值，p_t+k|t表示受電弓在t+k時刻的氣囊壓強實際值；r(t)表示受電弓在t時刻的氣囊壓強目標值，w(t+k)為未來第k個時刻的期望輸出的開關(guān)閥控制信號的序列，w(t+k)＝a^kp(t)+(1-a^k)r(t)；a表示開關(guān)閥信號控制率期望參數(shù)，取值范圍為0-1。

步驟6：以當前受電弓的實時氣囊壓強、列車速度以及受電弓位置數(shù)據(jù)作為輸入，采用EMPC原理，對步驟5所述的控制目標函數(shù)進行求解，獲得受電弓控制器在未來時間段t—t+N中輸出的開關(guān)閥信號，對受電弓進行主動控制。

所述利用獲得受電弓控制器在未來時間段t—t+N中輸出的開關(guān)閥信號，對受電弓進行主動控制時，開關(guān)閥的死區(qū)檢測按照以下過程進行：

利用極值搜索算法進行死區(qū)檢測，以受電弓主動控制器輸出的開關(guān)閥控制信號作為輸入信號，經(jīng)過線性變換后輸入高通濾波器濾去直流成分后，再經(jīng)過解調(diào)信號獲取梯度信息，對所獲得的梯度信息依次進行低通濾波和積分處理，并以經(jīng)積分處理后的信號和激勵信號相加作為新的輸入信號，直到搜索到開關(guān)閥死區(qū)臨界值，以使得受電弓主動控制器輸出的開關(guān)閥控制信號使受電弓升弓氣囊壓強達到目標值。

所述線性變換通過采用增益為4～10的放大器實現(xiàn)。

所述激勵信號為sin(ωt)，且sin(ωt)為所述解調(diào)信號，a為激勵信號幅值，取值為0.01～0.05；ω為激勵信號的角頻率，取值為500Hz～3000Hz。

高通濾波和低通濾波的截止周期分別為T_HP、T_LP，T_HP為1/50～1/200，T_LP為1/30～1/90，且積分處理中的增益為k，取值為3～8。

一種基于EMPC的高速鐵路受電弓的主動控制系統(tǒng)，其特征在于，包括：

受電弓歷史運行數(shù)據(jù)獲取模塊，用于獲取受電弓歷史運行狀態(tài)數(shù)據(jù)；

受電弓歷史運行數(shù)據(jù)分類模塊，用于按照歷史運行狀態(tài)中受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)對受電弓歷史運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分類；

曲線擬合模塊，用于對各類受電弓歷史運行數(shù)據(jù)中的弓網(wǎng)動態(tài)接觸力和氣囊壓強進行曲線擬合；

選擇模塊，用于根據(jù)實時的受電弓型號、受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)和列車速度在受電弓型號、受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)和列車速度與弓網(wǎng)接觸力-氣囊壓強標準曲線一一映射表中查找與當前受電弓型號、受電弓控制系統(tǒng)狀態(tài)和列車速度對應(yīng)的受電弓弓網(wǎng)接觸力-氣囊壓強標準曲線；

控制模塊，用于根據(jù)選擇模塊所選的曲線采用上述的方法控制所述受電弓。

所述受電弓歷史運行數(shù)據(jù)分類模塊，采用分段仿射中的多目標規(guī)劃進行劃分。

如圖3所示，本實施例的受電弓-接觸網(wǎng)基本示意圖具體包括：

接觸網(wǎng)：架設(shè)在鐵軌上方，受電弓通過碳滑板與接觸線接觸來獲取電能；

受電弓：受電弓安放在列車頂部，受電弓由碳滑板、杠桿機構(gòu)、升弓氣囊等部分組成；電氣氣路：電氣氣路部分由集成的氣閥板構(gòu)成，氣閥板是由進氣閥、排氣閥、安全閥以及氣路管路等組成，通過對進氣閥和排氣閥進行開閉控制來調(diào)節(jié)出氣的壓強；主動控制單元：根據(jù)壓強傳感器檢測到的升弓氣囊的壓強來決定高速閥的開閉，從而實現(xiàn)壓強的動態(tài)調(diào)節(jié)。

圖4為實際受電弓氣囊壓強—弓網(wǎng)接觸力的映射曲線，橫坐標列車運行時間，縱坐標為接觸網(wǎng)的接觸力和氣囊的壓強值。

圖5為EMPC離線最優(yōu)解狀態(tài)分區(qū)和最優(yōu)控制率。x軸和y軸為狀態(tài)分區(qū)的壓強值，z軸為狀態(tài)分區(qū)的最優(yōu)控制量。

圖6受電弓主動控制驗證平臺壓強跟蹤效果，橫坐標為列車運行時間，縱坐標的線條呈直線段顯示的為氣囊壓強值的目標值，圖中另一條曲線為基于EMPC的高速鐵路受電弓的主動控制下的氣囊實際值。從圖中可以看出，本發(fā)明所述的方法可以較好的對受電弓氣囊壓強進行穩(wěn)定控制，使其與目標值十分接近。

本發(fā)明中應(yīng)用了具體實施例對發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對發(fā)明的限制。