CN102707709B - 基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台，包括给定控制信号输入模块、比较器、网络控制器、伪线性复合系统、传感器测量模块、第一网络延迟单元与第二网络延迟单元，其中：给定信号输入模块，通过比较器与网络控制器连接；网络控制器输出的异步牵引电机转速和磁链控制信号，通过第一网络延迟单元，连接至伪线性复合系统；传感器测量模块的输入端与伪线性复合系统连接，输出端通过第二网络延迟单元，连接至比较器。本发明所述实验平台，可以实现对引入网络控制系统后对异步电机牵引控制系统的影响分析和牵引电机的网络化非线性控制方法验证。

Description

基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台

技术领域

本发明涉及模拟和/或实验设备技术领域，具体地，涉及基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台。

背景技术

目前，交流异步牵引电机，已经广泛应用于中国CRH(China Railways High-speed，简称CRH，全名“中国高速铁路”)系列的高速动车组。对大功率交流异步牵引电机的高性能调速控制，是高速动车组安全、可靠和稳定运行的重要保证。高速动车组交流异步牵引电机，具有空间分布性特点，要实现动车组牵引电机群的协同控制，必须通过列车网络控制系统来实现。其关键问题是，如何利用线性系统领域的网络控制分析方法，实现对异步牵引电机非线性控制。

但是，在现有的高速动车组牵引控制实验平台中，多采用转子磁场定向矢量控制技术和直接转矩控制技术，实现对牵引电机的驱动控制。没有考虑引入网络控制系统后对异步电机牵引控制系统的影响；并且，矢量控制对电机的参数依赖性很大，控制精度不高、动态性能较差；还有，直接转矩控制增加了较大的脉动转矩分量，没有电流环，不能做电流保护，对定子参数依赖大。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在对电机及定子参数依赖性大、控制精度低、动态性能差与电流安全性差和没有考虑引入网络控制系统后对异步电机牵引控制系统的影响等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台，以实现对牵引电机的网络化非线性控制方法验证，以及减小电机调速控制时对定子参数依赖性、提高控制精度、改善动态性能与电流安全性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台，包括给定控制信号输入模块、比较器、网络控制器、伪线性复合系统、传感器测量模块、第一网络延迟单元与第二网络延迟单元，其中：

所述给定控制信号输入模块，通过比较器与网络控制器连接；网络控制器输出的异步牵引电机转速和磁链控制信号，通过第一网络延迟单元，连接至伪线性复合系统；

所述传感器测量模块的输入端与伪线性复合系统连接，输出端通过第二网络延迟单元，连接至比较器。

进一步地，所述伪线性复合系统，即控制对象异步牵引电机线性模型，至少可以通过输入-输出反馈线性化解耦方法、电压矢量解耦方法或逆系统解耦方法中的任意一种方法获得。

进一步地，所述伪线性复合系统，包括与第一网络延迟模块连接的异步牵引电机逆系统，以及与传感器测量模块连接的异步牵引电机；所述异步牵引电机的状态反馈输出端，与异步牵引电机逆系统的状态反馈输入端连接；该伪线性复合系统，由逆系统解耦方法获得。

所述网络控制器，用于根据不同的控制策略和不同的异步牵引电机线性模型，获得相应的电机转速和磁链控制信号。

进一步地，所述第一网络延迟单元，包括依次连接在网络控制器与异步牵引电机逆系统之间、且用于模拟网络控制器与异步牵引电机之间网络的第一网络延迟模块与第一零阶保持器，所述第一网络延迟模块与第一零阶保持器通过列车通信控制网络连接。

进一步地，所述第二网络延迟单元，包括依次连接在传感器测量模块与比较器之间、且用于模拟传感器测量模块与比较器之间网络的第二网络延迟模块与第二零阶保持器，所述第二网络延迟模块与第二零阶保持器通过列车通信控制网络连接。

进一步地，所述通信控制网络，至少包括列车通信控制网络(TCN)、Lonworks、WorldFIP、CANopen与ARCnet中的任意一种。

进一步地，所述TCN，包括列车总线(WTB)和车辆总线(MVB)，其中：

所述列车总线(WTB)，用于连接各车辆节点、数据采集站、设备站、以及司机控制站，并构成列车设备控制、监测与故障诊断的列车级网络；

所述车辆总线(MVB)，用于连接车辆内的各种控制设备，并构成车厢级数据采集、控制的车辆级网络。

进一步地，所述车辆内的各种控制设备，至少包括配合设置的主控单元(MPU)、驱动显示单元(DDU)、供电单元(PSU)、辅助控制单元(ACU)、以及用于并行控制多个交流牵引电机的牵引控制单元(TCU)。

进一步地，所述列车总线为自组态式，即：

当列车编组改变时，列车总线自动重新构成，得到一个总线主节点，并自动指定各节点地址、位置及识别运行方向，各段车辆总线MVB通过节点网关与列车总线连接。

本发明各实施例的基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台，由于包括给定控制信号输入模块、比较器、网络控制器、伪线性复合系统、传感器测量模块、第一网络延迟单元与第二网络延迟单元，其中：给定控制信号输入模块，通过比较器与网络控制器连接；网络控制器输出的异步牵引电机转速和磁链控制信号，通过第一网络延迟单元，连接至伪线性复合系统；所述传感器测量模块的输入端与伪线性复合系统连接，输出端通过第二网络延迟单元，连接至比较器；给定控制信号和第二网络延迟模块获得的传感器测量模块输出信号，通过输入比较器进行比较后送入网络控制器进行运算，网络控制器产生的异步牵引电机转速和磁链控制信号通过第一网络网络延迟单元，作用于伪线性复合系统构成闭环反馈控制实验平台；通过调节异步牵引电机、网络延迟和网络控制器参数可以实现对不同牵引电机和不同网络控制方法的仿真分析与模拟实验；这样，就可以将线性系统领域的网络控制分析方法，用于对异步牵引电机非线性控制，为网络化牵引电机非线性控制方法提供实验平台；从而可以克服现有技术中对牵引电机及其定子参数依赖性大、控制精度低、动态性能差与电流安全性差的缺陷，以实现减小电机调速控制时对定子参数的依赖性、提高控制精度、改善动态性能与电流安全性。

本发明的技术方案，采用输入-输出反馈线性化解耦或逆系统解耦方法获得异步牵引电机线性模型，并将其引入具有不确定延迟的列车网络控制系统(如TCN)，因而可以用线性系统领域的网络控制分析方法实现对异步牵引电机非线性控制。通过高速动车组牵引控制实验平台，有效验证上述网络化的列车牵引控制系统的控制方法，以实现对引入网络控制系统后对异步电机牵引控制系统的的影响分析和牵引电机的网络化非线性控制方法验证。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台的工作原理示意图；

图2为根据本发明基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台中通信控制网络(TCN)的结构示意图；

图3为根据本发明基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台的操作流程示意图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-列车总线节点连接器；2-交流牵引电机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，如图1-图3所示，提供了基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台。

如图1所示，本实施例的基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台，包括给定控制信号输入模块、比较器、网络控制器、伪线性复合系统、传感器测量模块、第一网络延迟单元与第二网络延迟单元，其中：给定控制信号输入模块，通过比较器与网络控制器连接；网络控制器输出的异步牵引电机转速和磁链控制信号，通过第一网络延迟单元，连接至伪线性复合系统；传感器测量模块的输入端与伪线性复合系统连接，输出端通过第二网络延迟单元，连接至比较器。

上述伪线性复合系统，即控制对象异步牵引电机线性模型，至少可以通过输入-输出反馈线性化解耦方法、电压矢量解耦方法或逆系统解耦方法中的任意一种方法获得。该逆系统解耦方法获得的伪线性复合系统，包括与第一网络延迟模块连接的异步牵引电机逆系统，以及与传感器测量模块连接的异步牵引电机；所述异步牵引电机的状态反馈输出端，与异步牵引电机逆系统的状态反馈输入端连接。

上述网络控制器，可以用于根据不同的控制策略和不同的异步牵引电机线性模型，获得相应的电机转速和磁链控制信号。

上述第一网络延迟单元，包括依次连接在网络控制器与异步牵引电机逆系统之间、且用于模拟网络控制器与异步牵引电机之间网络的第一网络延迟模块与第一零阶保持器，第一网络延迟模块与第一零阶保持器通过列车通信控制网络连接。第二网络延迟单元，包括依次连接在传感器测量模块与比较器之间、且用于模拟传感器测量模块与比较器之间网络的第二网络延迟模块与第二零阶保持器，第二网络延迟模块与第二零阶保持器通过列车通信控制网络连接。

上述通信控制网络，至少包括列车通信控制网络(TCN)、Lonworks、WorldFIP、CANopen与ARCnet中的任意一种；并可以通过相应的网络延迟模块和相应的零阶保持器来模拟。

如图2所示，上述TCN，包括列车总线(WTB)和车辆总线(MVB)，通过列车总线上的节点连接器(如列车总线节点连接器1)依次连接的多个列车总线节点，通过每节车厢的车辆总线与车辆内的各种控制设备相连接。列车总线是自组态的，当列车编组改变时，列车总线自动重新构成，得到一个总线主节点，并自动指定各节点地址、位置及识别运行方向，各段车辆总线MVB通过节点网关与列车总线连接。

具体地，上述每节车厢内的各种控制设备，至少包括分别通过车辆总线与列车总线节点连接的主控单元(MPU)、驱动显示单元(DDU)、供电单元(PSU)、辅助控制单元(ACU)、以及用于控制每节动车多个交流牵引电机的牵引控制单元

(TCU)。

在上述实施例的基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台中，网络化的高速动车组牵引控制实验平台除了可以使用基于国际标准IEC-61375的列车通信控制网络(TCN)，还可以使用Lonworks、WorldFIP、CANopen、ARCnet等列车通信控制网络来实现；另外，交流异步牵引电机的解耦方法除了输入-输出反馈线性化和逆系统方法外，还可以使用电压矢量解耦方法得到其线性化模型。

在上述实施例中，基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台，针对如何利用线性系统领域的网络控制分析方法实现对异步牵引电机非线性控制的关键问题，分别采用输入-输出反馈线性化方法和逆系统方法实现对异步牵引电机转速和磁链的动态解耦；将线性化后的异步牵引电机模型引入具有不确定延迟的列车网络控制系统(如TCN)，采用动态输出反馈方法建立网络化的异步牵引电机控制模型；运用LMI矩阵不等式方法给出反馈控制算法并设计网络控制器，进而对网络化控制策略进行验证和仿真分析。

参见图3，使用上述实施例的基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台，对异步牵引电机网络化控制进行验证和模拟的具体操作包括：

(1)采用输入-输出反馈线性化方法和逆系统方法，实现对异步牵引电机转速和磁链的动态解耦；

对异步牵引电机在静止两相坐标系(α，β轴)下的5阶非线性状态空间等效模型：

$\stackrel{\·}{x}=f\left(x\right)+u_a{g}_a+u_b{g}_b;$

其中向量f(x),g_a,g_b为：

$f\left(x\right)=\left[\begin{array}{c}\frac{-R_r}{L_r}{\mathrm{\ψ}}_a-n_p\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_b+\frac{R_r}{L_r}{L}_m{i}_a\\ n_p\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_a-\frac{R_r}{L_r}{\mathrm{\ψ}}_b+\frac{R_r}{L_r}{L}_m{i}_b\\ \frac{R_r{L}_m}{{L^2}_r\mathrm{\σ}{L}_s}{\mathrm{\ψ}}_a+\frac{n_p{L}_m}{L_r\mathrm{\σ}{L}_s}\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_b-\mathrm{\γ}{i}_a\\ \frac{-n_p{L}_m}{L_r\mathrm{\σ}{L}_s}\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_a+\frac{R_r{L}_m}{{L^2}_r\mathrm{\σ}{L}_s}{\mathrm{\ψ}}_b-\mathrm{\γ}{i}_b\\ \frac{n_p{L}_m}{J{L}_r}({\mathrm{\ψ}}_a{i}_b-{\mathrm{\ψ}}_b{i}_a)-\frac{T_L}{J}\end{array}\right];$

g_a＝[001/σL_s00]^T

g_b＝[0001/σL_s0]^T；

x＝(ψ_a,ψ_b,i_a,i_b,ω)^T；

其中，k₁＝(L²m R_r/σL_s L² _r)+(R_s/σL_s)，k₂＝R_r/L_r，k₃＝Lm/σL_s L_r，k₄＝n_p，k₅＝1/σL_s，k₆＝n_p Lm/JL_r，k₇＝Lm，k₈＝1/J，其中ω为电机转子转速；ψ_a和ψ_b为转子磁链；i_a和i_b为两相定子电流；n_p为电机的极对数；J为转动惯量；T_L是负载转矩；R_s,R_r分别为定子和转子电阻；L_s,L_r分别为定子和转子自感，Lm是定子转子间互感；使σ表示角度dσ/dt＝n_pω。

通过引入一个随时间变化的状态空间坐标变换，得到在新坐标系下的异步牵引电机模型进而可得到系统的输入输出反馈线性化描述，并由此可得到线性且可控的牵引电机控制系统的状态空间描述。或采用逆系统方法对牵引电机系统进行解耦，首先确定系统的相对阶并判别系统的可逆性，然后定义坐标变换也可获得上述解耦后伪线性系在新坐标系下的状态空间描述；

(2)将线性化后的异步牵引电机模型引入具有不确定延迟的列车网络控制系统；

由于网络的引入，列车网络控制系统中的信号传输存在时间延迟，而列车网络控制系统的时间延迟是导致系统性能恶化和系统潜在不稳定的一个重要因素。网络延迟包括传感器到控制器的延迟和控制器到执行器的延迟。考虑基于TCN的动车组异步牵引电机控制系统中存在不确定延迟，不考虑数据包丢失。控制率一定时，传感器到控制器的延迟和控制器到执行器延迟可以合并为τ_k＝τ_sc+τ_ca。0≤τ_min≤τ_k≤τ_max≤T，其中τ_min和τ_max为常数，T为采样周期。因此在kT采样周期内，网络控制器的输出信号向量可以描述为：

$v\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}v(k-1),& \mathrm{kT}<t\&le;\mathrm{kT}+{\mathrm{\&tau;}}_k\\ v\left(k\right),& \mathrm{kT}+{\mathrm{\&tau;}}_k<t\&le;\mathrm{kT}+T\end{array}\right.;$

(3)采用动态输出反馈方法建立网络化的异步牵引电机控制系统模型；

利用矩阵理论将考虑网络传输延迟的牵引电机控制系统离散模型可以变换为具有不确定延迟的线性离散模型，使用动态输出反馈控制方法设计动态输出反馈控制器，可以得到网络化的交流异步牵引电机控制系统模型；

(4)设计网络控制器并对网络化控制策略进行验证；

根据在基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台中获得的实验数据，对比没有引入网络时牵引电机控制系统的性能指标调整控制策略或参数，设计网络控制器并获得牵引电机网络化非线性控制的新策略。

在上述实施例中，基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台，可以获得基于TCN的交流异步牵引电机控制系统模型，运用LMI矩阵不等式方法给出反馈控制算法并设计网络控制器，通过本实验平台验证牵引电机网络化非线性控制的新策略和分析方法，为网络化牵引电机非线性控制提供新思路。该基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台，具有以下特点：

⑴将线性系统领域的网络控制分析方法用于对异步牵引电机非线性控制，建立基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台，为网络化牵引电机非线性控制方法提供实验平台；

⑵建立基于通信控制网络(TCN)体系结构的列车网络控制系统模型，通过将线性化后的异步牵引电机模型引入基于TCN的列车网络控制系统获得牵引电机网络化非线性控制的新策略和分析方法。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台，其特征在于，包括给定控制信号输入模块、比较器、网络控制器、伪线性复合系统、传感器测量模块、第一网络延迟单元与第二网络延迟单元，其中：

所述给定控制信号输入模块，通过比较器与网络控制器连接；网络控制器输出的异步牵引电机转速和磁链控制信号，通过第一网络延迟单元，连接至伪线性复合系统；

所述传感器测量模块的输入端与伪线性复合系统连接，输出端通过第二网络延迟单元，连接至比较器；

所述伪线性复合系统，即控制对象异步牵引电机线性模型，至少可以通过输入-输出反馈线性化解耦方法、电压矢量解耦方法或逆系统解耦方法中的任意一种方法获得；

所述第一网络延迟单元，包括依次连接在网络控制器与异步牵引电机逆系统之间、且用于模拟网络控制器与异步牵引电机之间网络的第一网络延迟模块与第一零阶保持器，所述第一网络延迟模块与第一零阶保持器通过列车通信控制网络连接；

所述第二网络延迟单元，包括依次连接在传感器测量模块与比较器之间、且用于模拟传感器测量模块与比较器之间网络的第二网络延迟模块与第二零阶保持器，所述第二网络延迟模块与第二零阶保持器通过列车通信控制网络连接。

2.根据权利要求1所述的基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台，其特征在于，所述伪线性复合系统，包括与第一网络延迟模块连接的异步牵引电机逆系统，以及与传感器测量模块连接的异步牵引电机；所述异步牵引电机的状态反馈输出端，与异步牵引电机逆系统的状态反馈输入端连接；该伪线性复合系统，由逆系统解耦方法获得。

3.根据权利要求1所述的基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台，其特征在于，所述通信控制网络，至少包括列车通信控制网络TCN、Lonworks、WorldFIP、CANopen与ARCnet中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台，其特征在于，所述TCN，包括列车总线WTB和车辆总线MVB，其中：

所述列车总线 WTB，用于连接各车辆节点、数据采集站、设备站、以及司机控制站，并构成列车设备控制、监测与故障诊断的列车级网络；

所述车辆总线MVB，用于连接车辆内的各种控制设备，并构成车厢级数据采集、控制的车辆级网络。

5.根据权利要求4所述的基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台，其特征在于，所述车辆内的各种控制设备，至少包括配合设置的主控单元MPU、驱动显示单元DDU、供电单元PSU、辅助控制单元ACU、以及用于并行控制多个交流牵引电机的牵引控制单元TCU。

6.根据权利要求4所述的基于通信控制网络的高速动车组牵引控制实验平台，其特征在于，所述列车总线为自组态式，即：

当列车编组改变时，列车总线自动重新构成，得到一个总线主节点，并自动指定各节点地址、位置及识别运行方向，各段车辆总线MVB通过节点网关与列车总线连接。