高速列车受电弓半主动控制方法研究及应用

摘要

随着中国铁路进入高铁时代，高速列车的发展已经走在世界前列。高速列车是一个大系统，面临着弓网问题、轮轨问题、流固接触问题等众多挑战。
　　受电弓-接触网系统是高速列车运行的动力之源，弓网受流质量的好坏直接影响了列车运行的安全性和可靠性。本文研究了受电弓空气动力特性、车体振动、受电弓弓头柔性和弓网接触非线性对弓网受流的影响，本文的主要内容如下:
　　(1)建立受电弓-接触网系统耦合动力学非线性模型。
　　基于空气动力学理论分析了受电弓空气动力特性，白噪声模拟车体震动，基于参数振动分析弓头的柔性和弓网的非线性，建立了三元受电弓弓网耦合非线性模型。
　　(2)按照弓网受流的评价标准，对弓网受流特性进行分析。
　　本文主要分析了高速动车组列车的运行速度、空气动力、接触网跨距、受电弓静态抬升力、弓头质量等对弓网系统动态受流质量的影响，为下一步设计合理的控制器奠定基础。
　　(3)设计了直接型模糊滑模自适应控制器。
　　针对弓网耦合系统模型中的非线性互联项和未知动态项，利用模糊万能逼近引理，同时引入滑模变结构方法，设计直接型模糊滑模自适应控制器。在系统中加入了误差判断模块，最终保证系统的跟踪误差、模糊逼近误差全局收敛到任意小的邻域内。
　　(4)采用限界Hrovat最优控制算法模拟电磁阻尼器作用，搭建弓网半主动非线性控制模型，通过优化控制算法很好的改善了弓网受流质量。研究了PID半主动控制、模糊滑模半主动控制以及模糊滑模-PID半主动控制对弓网耦合性能的影响。
　　通过仿真对比可知:主动控制中，模糊滑模-PID主动控制效果最好，PID主动控制效果次之;半主动控制中，模糊滑模-PID半主动控制效果最好，PID半主动控制效果次之;但均优于被动控制。通过优化控制算法可以很好地改善弓网受流质量。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 被动控制

1．2．2 主动控制

1．2．3 半主动控制

1．3 本文的创新点

1．4 论文的结构和章节安排

1．5 本章小结

2 与本文相关的基础理论概述

2．1 控制系统中的信息流程

2．2 变结构控制理论

2．3 模糊控制理论

2．4 弓网系统

2．5 接触网简介

2．5．1 接触网的结构

2．5．2 接触网的类型

2．6 受电弓简介

2．6．1 受电弓的结构

2．6．2 受电弓的类型

2．7 本章小结

3 接触网和受电弓模型

3．1 接触网运动微分方程及动力学模型

3．1．1 接触网运动微分方程

3．1．2 接触网动力学模型

3．2 受电弓运动微分方程及动力学模型

3．2．1 受电弓运动微分方程

3．2．2 受电弓动力学模型

3．3 受电弓-接触网耦合振动非线性模型

3．3．1 非线性动力学的相关概念及理论

3．3．2 空气动力

3．3．3 参数振动

3．4 本章小结

4 弓网受流特性分析

4．1 弓网系统受流评价标准

4．2 弓网受流特性分析

4．2．1 列车速度对受流的影响

4．2．2 空气动力对受流的影响

4．2．3 接触网跨距对受流的影响

4．2．4 静态抬升力对受流的影响

4．2．5 弓头质量对受流的影响

4．3 本章小结

5 模糊滑模控制器设计

5．1 模型描述及假设

5．2 直接型模糊滑模控制器设计

5．3 参数自适应调节律

5．4 系统的稳定性分析

5．5 PID主动控制仿真

5．6 模糊滑模-PID主动控制仿真

5．7 本章小结

6 弓网半主动控制研究

6．1 磁流阻尼器

6．2 PID半主动控制仿真

6．3 模糊滑模-PID半主动控制仿真

6．4 本章小结

7．1 结论

7．2 对后续研究工作的展望

参考文献

作者简历

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