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弓网接触力的区间二型模糊PID半主动控制

刘职 刘宜成 邹栋 周宁

刘职, 刘宜成, 邹栋, 周宁. 弓网接触力的区间二型模糊PID半主动控制[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(5): 787-793. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200071
引用本文: 刘职, 刘宜成, 邹栋, 周宁. 弓网接触力的区间二型模糊PID半主动控制[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(5): 787-793. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200071
LIU Zhi, LIU Yicheng, ZOU Dong, ZHOU Ning. Interval Type-2 Fuzzy PID Semi-active Control of Contact Force between Pantograph and Catenary[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(5): 787-793. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200071
Citation: LIU Zhi, LIU Yicheng, ZOU Dong, ZHOU Ning. Interval Type-2 Fuzzy PID Semi-active Control of Contact Force between Pantograph and Catenary[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(5): 787-793. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200071

弓网接触力的区间二型模糊PID半主动控制

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200071
基金项目: 

四川省智能制造与机器人重大专项课题 2019ZDZX0019

国家重点研发计划先进轨道交通重点专项 2016YFB1200506-02

中央高校基本科研业务费专项资金项目 2682018CX71

详细信息
    作者简介:

    刘职(1995-), 硕士研究生, 研究方向为受电弓主动控制,liuzhi_scu@163.com

    通讯作者:

    刘宜成, 副教授, 硕士生导师, liuyicheng@scu.edu.cn

  • 中图分类号: U264.3+4

Interval Type-2 Fuzzy PID Semi-active Control of Contact Force between Pantograph and Catenary

  • 摘要: 针对不确定性条件下轨道交通列车弓网接触力改善的问题,首次提出了一种基于区间二型模糊PID(IT2F-PID)的受电弓半主动控制方法。首先,建立了三元弓网半主动控制模型。其次,设计了IT2F-PID半主动控制器,并且与一型模糊PID(T1F-PID)和PID半主动控制器对弓网接触力的控制效果进行对比分析。进一步考虑受电弓存在模型不确定性和外部扰动的问题。最后,以DSA380型受电弓为对象进行仿真实验验证。实验结果表明:当列车运行速度为200 km/h和300 km/h时,相较于被动控制,IT2F-PID半主动控制算法作用下的弓网接触力标准差分别降低了18.21%和24.91%,能有效改善弓网受流质量。另外,与主动控制相比,设计的半主动控制器具有所需能量更少的优点,而且拥有更好的处理模型不确定性以及抗扰动能力。
  • 图  1  弓网模型

    图  2  区间二型模糊集

    图  3  区间二型模糊逻辑系统结构

    图  4  IT2F-PID控制器结构

    图  5  误差的隶属度函数

    图  6  误差变化率的隶属度函数

    图  7  比例增益的隶属度函数

    图  8  积分增益的隶属度函数

    图  9  微分增益的隶属度函数

    图  10  V=200 km/h, 接触力对比曲线

    图  11  V=300 km/h, 接触力对比曲线

    图  12  V=300 km/h, 控制力对比曲线

    图  13  只考虑模型不确定性条件下, 接触力对比曲线

    图  14  考虑模型不确定性和外部扰动条件下, 接触力对比曲线

    表  1  比例增益的规则库

    误差变化率 误差
    NL NS Z PS PL
    NL M S S S M
    NS B M S M B
    Z VB B M B VB
    PS B M S M B
    PL M S S S M
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    表  2  积分增益的规则库

    误差变化率 误差
    NL NS Z PS PL
    NL NL NL NL NS Z
    NS NL NL NS Z PS
    Z NL NS Z PS PL
    PS NS Z PS PL PL
    PL Z PS PL PL PL
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    表  3  微分增益的规则库

    误差变化率 误差
    NL NS Z PS PL
    NL PL PL PL PS Z
    NS PL PL PS Z NS
    Z PL PS Z NS NL
    PS PS Z NS NL NL
    PL Z NS NL NL NL
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    表  4  弓网系统参数

    参数 数值 参数 数值 参数 数值
    m1/kg 7.12 c1/(N·s·m-1) 0 α1 0.466
    m2/kg 6 c2/(N·s·m-1) 0 α2 0.083
    m3/kg 5.8 c3/(N·s·m-1) 70 α3 0.26
    k1/(N·m-1) 9 430 L 63 α4 -0.28
    k2/(N·m-1) 14 100 L1 9 α5 -0.336
    k3/(N·m-1) 0.1 k0/(N·m-1) 3 694
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    表  5  V=200 km/h, 控制前后接触力统计对比

    控制类型 最大值 最小值 平均值 标准差
    被动控制 160.808 8 57.087 1 109.904 9 22.984 7
    PID 158.179 7 57.009 5 109.766 3 20.964 5
    T1F-PID 153.266 5 68.223 2 109.592 7 19.667 6
    IT2F-PID 153.100 3 70.271 8 109.350 7 18.799 3
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    表  6  V=300 km/h, 控制前后接触力统计对比

    控制类型 最大值 最小值 平均值 标准差
    被动控制 250.874 3 59.431 3 160.175 0 43.324 5
    PID 241.389 6 77.460 9 159.770 3 40.670 8
    T1F-PID 233.590 9 85.613 6 159.349 0 37.889 4
    IT2F-PID 229.727 9 94.402 9 159.245 5 32.530 9
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    表  7  同时考虑模型不确定性和外部扰动条件下, 控制前后接触力统计对比

    控制类型 最大值 最小值 平均值 标准差
    PID 251.587 0 82.428 9 168.284 7 46.836 5
    T1F-PID 243.964 3 91.924 7 165.635 9 42.131 9
    IT2F-PID 234.187 2 101.371 6 165.078 5 35.550 0
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  • 收稿日期:  2019-11-19
  • 刊出日期:  2021-05-01

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