留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV
  • [1] WANG Y, LIU Z G, MU X Q, et al. An extended habedank's equation-based EMTP model of pantograph arcing considering Pantograph-Catenary interactions and train speeds[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2016, 31(3): 1186-1194 doi: 10.1109/TPWRD.2015.2500260
    [2] MASSAT J P, LAINE J P, BOBILLOT A. Pantograph-catenary dynamics simulation[J]. Vehicle System Dynamics, 2006, 44(S1): 551-559
    [3] 宋洋, 刘志刚, 汪宏睿, 等伟脉动风下高速铁路接触网抖振对弓网受流性能的影响[J]. 铁道学报, 2014, 36(6): 27-34 doi: 10.3969/j.issn.1001-8360.2014.06.005

    SONG Y, LIU Z G, WANG H R, et al. Influence of high-speed railway catenary buffeting on pantograph-catenary current collection under fluctuating wind[J]. Journal of the China Railway Society, 2014, 36(6): 27-34 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-8360.2014.06.005
    [4] 宋洋, 刘志刚, 鲁小兵, 等. 计及接触网空气动力的高速弓网动态受流特性研究[J]. 铁道学报, 2016, 38(3): 48-58 doi: 10.3969/j.issn.1001-8360.2016.03.007

    SONG Y, LIU Z G, LU X B, et al. Study on characteristics of dynamic current collection of high-speed pantograph-catenary considering aerodynamics of catenary[J]. Journal of The China Railway Society, 2016, 38(3): 48-58 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-8360.2016.03.007
    [5] KO M T, YOKOYAMA M, YAMASHITA Y, et al. Contact force control of an active pantograph for high speed trains[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2016, 744: 012151 doi: 10.1088/1742-6596/744/1/012151
    [6] LI C X, DONG L. Research on pantograph active control strategy for reducing the pantograph-catenary wear[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 397-400: 1378-1382 doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.397-400.1378
    [7] ZHU B, REN Z L, XIE W J, et al. Active nonlinear partial-state feedback control of contacting force for a pantograph-catenary system[J]. ISA Transactions, 2019, 91: 78-89 doi: 10.1016/j.isatra.2019.01.033
    [8] 周宁, 张卫华, 王冬. 受电弓等效模型参数识别及动态性能测试[J]. 西南交通大学学报, 2011, 46(3): 398-403 doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2011.03.007

    ZHOU N, ZHANG W H, WANG D. Lumped mass model for dynamic performance simulation of pantograph[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2011, 46(3): 398-403 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2011.03.007
    [9] 刘红娇, 张卫华, 梅桂明. 基于状态空间法的受电弓主动控制的研究[J]. 中国铁道科学, 2006, 27(3): 79-83 doi: 10.3321/j.issn:1001-4632.2006.03.014

    LIU H J, ZHANG W H, MEI G M. Study on pantograph active control based on state space method[J]. China Railway Science, 2006, 27(3): 79-83 (in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1001-4632.2006.03.014
    [10] 陈忠华, 唐博, 时光. 基于线性二次型的受电弓最优输出跟踪器设计[J]. 电子测量与仪器仪表学报, 2015, 29(11): 1647-1654 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZIY201511012.htm

    CHEN Z H, TANG B, SHI G. Design of the pantograph optimal tracking controller based on linear quadratic[J]. Journal of Electronic Measurement And Instrumentation, 2015, 29(11): 1647-1654 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZIY201511012.htm
    [11] 邢海军, 麻士琦, 杨绍普. 受电弓动态参数研究[J]. 振动、测试与诊断, 2002, 22(3): 206-211 doi: 10.3969/j.issn.1004-6801.2002.03.008

    XING H J, MA S Q, YANG S P. Studies on dynamic parameters of pantograph[J]. Journal of Vibration, Measurement & Diagnosis, 2002, 22(3): 206-211 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1004-6801.2002.03.008
    [12] 郭京波, 杨绍普, 高国生. 高速机车主动控制受电弓研究[J]. 铁道学报, 2004, 26(4): 41-45 doi: 10.3321/j.issn:1001-8360.2004.04.009

    GUO J B, YANG S P, GAO G S. Study on active control of high-speed-train pantographs[J]. Journal of The China Railway Society, 2004, 26(4): 41-45 (in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1001-8360.2004.04.009
    [13] 鲁小兵, 刘志刚, 宋洋. 基于磁流变阻尼器的受电弓主动控制分析与验证[J]. 仪器仪表学报, 2015, 36(1): 103-109 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YQXB201501015.htm

    LU X B, LIU Z G, SONG Y. Analysis and verification of pantograph active control based on MR damper[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2015, 36(1): 103-109 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YQXB201501015.htm
    [14] 吴燕. 高速受电弓——接触网动态性能及主动控制策略的研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2011

    WU Y. Research on dynamic performance and active control strategy of high-speed pantograph-catenary system[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2011 (in Chinese)
    [15] 杨岗, 李芾. 高速受电弓滑模半主动控制[J]. 西南交通大学学报, 2013, 48(1): 10-15 doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.01.002

    YANG G, LI F. Sliding mode semi-active control for high-speed pantograph[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2013, 48(1): 10-15 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.01.002
    [16] 任志玲, 林冬, 王月, 等. 基于预测控制的弓网系统半主动控制策略研究[J]. 系统仿真学报, 2017, 29(5): 1086-1092 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XTFZ201705021.htm

    REN Z L, LIN D, WANG Y, et al. Research on semi-active control strategy of high speed railway pantograph-catenary system based on model predictive control[J]. Journal of System Simulation, 2017, 29(5): 1086-1092 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XTFZ201705021.htm
    [17] 庄哲, 施莹, 彭飞, 等. 受电弓状态反馈线性化主动控制方法研究[J]. 机械科学与技术, 2017, 36(10): 1604-1610 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1020

    ZHUANG Z, SHI Y, PENG F, et al. Research on active control method of pantograph state feedback linearization[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2017, 36(10): 1604-1610 (in Chinese) doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1020
    [18] 刘冠芳. 电气化铁路受电弓PID主动控制策略的研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2018

    LIU G F. PID active control strategy of pantograph for electrification railway[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2018 (in Chinese)
    [19] 盛贤君, 钟声, 姜涛. 基于模糊分数阶PIλDμ的柔性结构振动主动控制[J]. 航空动力学报, 2014, 29(9): 2091-2096 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKDI201409011.htm

    SHENG X J, ZHONG S, JIANG T. Active Control of flexible structure vibration based on fuzzy fractional order PIλDμ[J]. Journal of Aerospace Power, 2014, 29(9): 2091-2096 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKDI201409011.htm
    [20] 时培成, 徐增伟, 王锁等. 变论域自适应模糊PID主动悬架控制研究[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(5): 713-720 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180243

    SHI P C, XU Z W, WANG S, et al. Variable universe adaptive fuzzy PID control of active suspension[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(5): 713-720 (in Chinese) doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180243
    [21] 王思明, 王欢. 分数阶PID控制器的设计及仿真[J]. 现代防御技术, 2015, 43(6): 204-208 doi: 10.3969/j.issn.1009-086x.2015.06.036

    WANG S M, WANG H. Design and simulation of fractional order PID controller[J]. Modern Defense Technology, 2015, 43(6): 204-208 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1009-086x.2015.06.036
    [22] 戚志东, 周茜, 卞慧娟, 等. PEMFC动态建模与模糊分数阶PIλDμ控制[J]. 控制与决策, 2017, 32(6): 1148-1152 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KZYC201706031.htm

    QI Z D, ZHOU Q, BIAN H J, et al. The dynamic model of PEMFC and study on fuzzy fractional PIλDμ controller[J]. Control and Decision, 2017, 32(6): 1148-1152 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KZYC201706031.htm
    [23] 夏光, 杜克, 谢海, 等. 基于侧倾分级的叉车横向稳定性变论域模糊控制[J]. 机械工程学报, 2019, 55(12): 157-167 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXXB201912018.htm

    XIA G, DU K, XIE H, et al. Variable universe fuzzy control for the lateral stability of forklift based on the roll classification[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2019, 55(12): 157-167 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXXB201912018.htm
    [24] 王婧, 张文轩. 高速铁路弓网燃弧率评价标准探讨[J]. 铁道技术监督, 2017, 45(1): 7-9, 16 doi: 10.3969/j.issn.1006-9178.2017.01.002

    WANG J, ZHANG W X. Discussion on evaluation criteria for pantograph-catenary arcing percentage of high-speed railway[J]. Railway Quality Control, 2017, 45(1): 7-9, 16 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1006-9178.2017.01.002
  • 加载中
图(15) / 表(7)
计量
  • 文章访问数:  18
  • HTML全文浏览量:  5
  • PDF下载量:  11
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-16
  • 刊出日期:  2021-10-09

目录

    /

    返回文章
    返回