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计及接触线脉动风激励的受电弓主动控制研究

王英 焦玉伟 陈小强

王英, 焦玉伟, 陈小强. 计及接触线脉动风激励的受电弓主动控制研究[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(8): 1149-1157. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200192
引用本文: 王英, 焦玉伟, 陈小强. 计及接触线脉动风激励的受电弓主动控制研究[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(8): 1149-1157. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200192
WANG Ying, JIAO Yuwei, CHEN Xiaoqiang. Active Control of Pantograph with Fluctuating Wind Excitation of Contact Wire Considered[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(8): 1149-1157. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200192
Citation: WANG Ying, JIAO Yuwei, CHEN Xiaoqiang. Active Control of Pantograph with Fluctuating Wind Excitation of Contact Wire Considered[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(8): 1149-1157. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200192

计及接触线脉动风激励的受电弓主动控制研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200192
基金项目: 

中国铁路总公司重点研发项目 2017J012-A

国家自然科学基金项目 51767013

国家自然科学基金项目 51867012

甘肃省科技厅自然科学基金项目 18JR3RA111

详细信息
    作者简介:

    王英(1978-), 副教授, 博士研究生, 研究方向为电气化铁路弓网动态优化与控制及轨道交通供电系统可靠性, wyview@163.com

  • 中图分类号: TP273

Active Control of Pantograph with Fluctuating Wind Excitation of Contact Wire Considered

  • 摘要: 针对外部环境脉动风激励对弓网耦合系统动态耦合性能造成的影响,提出了一种受电弓变论域模糊分数阶PID主动控制方法。修正了脉动风激励下的简化弓网模型,分析了脉动风激励在接触线产生的抖振力,得到了不同风攻角和风速下的弓网系统接触压力。将接触压力误差及误差变化率作为变论域模糊分数阶PID控制的输入,实时调整PID参数。利用论域伸缩因子调整模糊控制论域,提高了模糊控制精确性。利用Oustafod滤波器有理化了分数阶微积分算子,提高了PID控制器灵活性。仿真结果表明,设计的控制器在脉动风环境下能有效减小接触压力波动,降低弓网离线率,提高了系统的鲁棒性。
  • 图  1  电气化铁路弓网耦合系统及外界干扰示意图

    图  2  受电弓模型结构

    图  3  接触线截面受力示意图

    图  4  顺向脉动风时程及对比

    图  5  垂向脉动风时程及对比

    图  6  不同风速和不同风攻角下接触压力对比

    图  7  变论域模糊分数阶PID控制

    图  8  论域调整过程

    图  9  风速为30 m/s风攻角为60°控制效果对比

    图  10  风速20 m/s风攻角60°时控制效果对比

    图  11  风速30 m/s风攻角20°时控制效果对比

    图  12  风速30 m/s不同攻角控制前后离线率对比

    图  13  风速20 m/s不同攻角控制前后离线率对比

    图  14  不同工况下控制力对比

    图  15  加风前后控制力频域分析对比

    表  1  SSS400+型受电弓结构基本参数

    序号 mi/kg ci/(Ns·m-1) ki/(N·m-1)
    1 6.1 10 10 400
    2 10.2 0 10 600
    3 10.3 120 0
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    表  2  ΔKP模糊控制规则

    e ec
    NB NM NS ZO PS PM PB
    NB PB PB PM PM PS ZO ZO
    NM PB PB PM PS PS ZO PS
    NS PM PM PM PS ZO NS NS
    ZO PM PM ZO NS NS NM NM
    PS PS PS ZO NS NS NM NM
    PM PS ZO NS NM NM NM NB
    PB ZO ZO NM NM NM NB NB
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    表  3  速度300 km/h时的控制效果对比

    控制方法 最大值(Max) 最小值(Min) 平均值(Mean) 标准差(Std)
    未控制 252.2 70.8 155.2 54.7
    FFPID 229.3 95.5 156.4 31.7
    VFFPID 202.4 117.1 157.2 27.3
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    表  4  速度350 km/h时控制效果对比

    控制方法 最大值(Max) 最小值(Min) 平均值(Mean) 标准差(Std)
    未控制 359.2 58.3 186.5 81.4
    FFPID 286.5 103.7 187.3 46.7
    VFFPID 276.4 118.1 188.2 39.4
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    表  5  风速为20 m/s攻角为40°时对比

    控制方法 最大值(Max) 最小值(Min) 平均值(Mean) 标准差(Std)
    未控制 360 0 158 77
    FFPID 297 18 155 56
    VFFPID 297 26 157 49
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    表  6  风速为30 m/s攻角为50°时对比

    控制方法 最大值(Max) 最小值(Min) 平均值(Mean) 标准差(Std)
    未控制 467 0 161 98
    FFPID 383 0 155 79
    VFFPID 383 0 157 73
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    表  7  动态验收弓网离线燃弧数据

    速度级/(km·h-1) 动车组 线名 行别 燃弧率/% 测试区段/km 受电弓型号
    300 重连 成渝客专 上行 1.43 296 SSS400+
    下行 1.57
    300 重连 合福铁路 上行 1.14 519 SSS400+
    下行 1.10
    350 单列 京沪高铁 上行 2.15 313 SSS400+
    下行 1.02 DSA250
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  • 收稿日期:  2020-03-16
  • 刊出日期:  2021-10-09

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