电力机车传动单元分布式智能控制系统的研究与设计

摘要

电力机车牵引传动控制装置作为电力机车的关键技术设备之一，有着机车“神经中枢”和“大脑”之称。目前我国电力机车传动控制系统多采用基于传统PID的速度、电流双闭环控制结构，其电流、转速调节器是由以“模拟运算放大器”为主要元件构成的模拟PID调节器。这种模拟式PID调节器参数固定，控制结构简单、稳定性较好、易于工程实现。但系统的调节过程过分依赖于控制对象的模型参数，且其控制算法的系统动态性能和鲁棒性较差。 针对列车运行过程中的多目标、大滞后、非线性等特点，本文首先分析了交直型电力机车的工作原理与传动系统的控制方法，提出了基于转向架独立控制的电力机车传动单元分布式控制系统，然后研究了模糊控制和神经网络理论与算法在电力机车中的应用方法，设计完成“电力机车模糊RBF神经网络PID自适应调速智能控制算法”，并在MATLAB/SIMULINK环境下进行了仿真。系统硬件设计采用分布式控制结构，综合应用32位ARM7微处理器、FPGA和ICAN总线通信技术，设计开发了“电力机车传动单元分布式智能控制系统”1、2号试验样机；并在嵌入式实时操作系统uCOS-Ⅱ环境下，完成系统控制软件的设计与智能控制算法的实现。最后，就系统常见故障作了应对处理方案。 “电力机车分布式智能传动控制系统”样机在成都铁路局机务段、成都至资阳铁路运营线(段)实际装车试运考核。试验证明：该系统结构设计合理，硬件安全可靠，智能控制算法实用、高效，系统控制性能良好。试验过程中，列车起动快速、平稳，调速调节平滑，动态调节误差小。系统达到了预期的设计目的。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1电力机车传动概述

1.2电力机车传动控制系统及其发展

1.2.1电力机车传动模拟电子控制系统

1.2.2电力机车传动微型计算机控制系统

1.2.3电力机车传动控制系统的发展方向

1.3模糊神经网络控制在电力机车传动控制系统中的应用

1.4本文研究的目标、内容与方法

1.5本文的文档结构

第2章电力机车传动单元分布式智能控制系统的结构设计

2.1.交直型电力机车的工作原理

2.1.1交直型电力机车的主电路

2.1.2电力机车的速度调节原理

2.1.3交直型电力机车相控调压原理

2.2.交直型电力机车传动闭环控制及系统

1.2.4电力机车传动单元闭环控制概述

2.3.电力机车传动单元分布式智能控制系统

第3章电力机车传动单元分布式智能控制系统的硬件设计

3.1电力机车传动单元分布式控制系统硬件设计概述

3.2电力机车传动单元分布式智能控制系统硬件总体设计

3.3系统的各功能插件硬件设计

3.3.1特性控制插硬件设计

3.3.2信号调理插件板硬件设计

3.3.3司机室控制插件硬件设计

3.3.4故障诊断与处理插件硬件设计

3.3.5电源插件硬件设计

3.4系统的电磁兼容性设计

第4章电力机车传动单元分布式智能控制系统的智能控制算法研究

4.1电力机车速度电流双闭环调速系统数学模型

4.2模糊神经网络控制理论概述

4.2.1模糊控制的基本原理

4.2.2神经网络及其自学习方法

4.2.3模糊神经网络控制

4.3电力机车模糊神经网络PID自适应调速控制算法设计

4.3.1数字增量式PID控制器

4.3.2模糊控制器的设计

4.3.3 RBF神经网络PID参数自整控制器设计

4.4电力机车模糊神经网络PID自适应调速控制算法仿真

4.4.1基于Matlab/Simulink构建电力机车双闭环智能调速控制仿真平台

4.4.2电力机车模糊神经网络PID自适应智能调速控制算法仿真与结论

第5章电力机车传动单元分布式智能控制系统的软件设计

5.1嵌入式实时操作系统及UC/OS-Ⅱ概述

5.1.1实时嵌入式操作系统概述

5.1.2 uC/OS-Ⅱ及其在电力机车传动分布式控制系统中的应用

5.2电力机车传动单元分布式智能控制系统的软件构架

5.2.1系统级的软件设计

5.2.2组件级的软件设计

5.2.3插件级的软件设计

5.3系统的CAN总线通信协议与双CAN冗余通信策略

5.3.1 CAN总线通信介绍

5.3.2双CAN总线通信冗余策略

5.3.3双CAN总线通信协议设计

5.4系统分布式控制与智能控制算法的软件实现

5.4.1电力机车牵引工况控制软件设计

5.4.2电力机车制动工况控制软件设计

5.4.3电力机车智能调速控制算法的软件实现

5.5系统的故障诊断与处理

5.5.1系统的异常处理

5.5.2电力机车速度信号传感器故障诊断与处理

5.5.3晶闸管触发脉冲输出故障诊断与处理

第6章结束语

6.1试验验证与结论

6.2采用的新技术与方法总结

6.3存在的问题与改进

6.4展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果