CN109510521B - 一种基于虚拟总轴的多电机总量协同一致容错控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于虚拟总轴的多电机总量协同一致容错控制方法，利用虚拟总轴控制策略的反馈特性，一旦高速列车某轮对发生打滑或空转故障后，为防止故障继续发生，而利用虚拟总轴的反馈调节特性来削减牵引总力矩，多电机系统也会保持动态跟踪这种力矩变化，以维持系统牵引动力总量一致，并且在粘着故障情况恢复正常之后再将总力矩恢复正常，在系统恢复以及维持稳态的同时也保证牵引动力总量一致性。

Description

一种基于虚拟总轴的多电机总量协同一致容错控制方法
技术领域
本发明涉及列车控制技术领域，更具体地，涉及一种基于虚拟总轴的多电机总量协同一致容错控制方法。
背景技术
当今随着列车运行速度的提高，高速列车的运行受制于轮轨间的粘着力，而轮轨间的粘着是一个具有很大不确定性的复杂过程，随着轨道状况和蠕滑速度等因素的不同，轮轨间的粘着特性呈现出强非线性且快速时变的特征，同一地方可利用的粘着都会有显著变化，当列车某轮对发生打滑或空转故障时，该轮将失去粘着，同时持续空转或打滑将导致轮轨擦伤，一方面损失了列车牵引动力，另一方面缩短了轮轨的使用寿命。因此既需要针对于多电机牵引系统研究维持系统的输出牵引动力总量恒定一致，又需要考虑多电机系统在实际工程中的动态变化以及扰动干扰等因素，实现系统鲁棒协同容错控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术不足和缺陷，提供一种一种基于虚拟总轴的多电机总量协同一致容错控制方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于虚拟总轴的多电机总量协同一致容错控制方法，包括以下步骤：
S1、根据电机直流电机状态方程，建立电机工作参数扰动情况下的状态方程；
S2、基于虚拟总轴控制策略设计虚拟控制器控制虚拟电机得到虚拟总轴的输出Τref，接收多电机系统反馈的驱动总电压值
Figure BDA0001855025150000011
uj为第j台电机的驱动电压，使得Τref实时跟踪给定的目标转矩值Τd；
S3、设计总量协同一致控制器，使多电机系统受到未知扰动时输出的转矩总量
Figure BDA0001855025150000012
Tej为第j台电机的输出转矩值，维持动态平衡：
Figure BDA0001855025150000013
e为多电机系统输出总转矩与Τref之间的跟踪误差，使得跟踪误差收敛并稳定在零附近。
进一步地，步骤S1中虚拟控制器输出电压u根据多电机系统反馈的实际电压总量
Figure BDA0001855025150000021
进行调节控制虚拟电机输出转矩Τref动态变化并反馈至虚拟控制器的输入端用于根据反馈的多电机系统实际工作状态调节Τref。
进一步地，步骤S1中的虚拟控制器为PI控制器，具体表达为 u＝kI∫(Τd-Τref)+kP(Τd-Τref)，其中，u为控制器输出的电压信号，kI为积分增益，kP为比例增益，Τd为给定的转矩值，Τref为虚拟电机的动态转矩输出。
进一步地，定义状态变量x1j＝ωj，x2j＝Tej，步骤S2中的电机工作参数发生扰动时的状态方程为：
Figure BDA0001855025150000022
其中j＝1,2,...,n，
Figure BDA0001855025150000023
Figure BDA0001855025150000024
分别表示a0j，a1j，beqj，bj的标称值，Δa0j，Δa1j，Δbeqj，Δbj则表示有界的不确定扰动值，
Figure BDA0001855025150000025
进一步地，所述步骤S3中设计变步长积分滑模总量协同一致控制器具体表达为：
Figure RE-GDA0001951777020000027
其中j＝1,2,...,n，εj为大于零的任意常数，s为积分滑模面，具体表达为
Figure BDA0001855025150000027
sgn(s)为符号函数，Dj≥|dj|，c为变步长系数。
本发明的有益效果为利用虚拟总轴控制策略的反馈特性，一旦高速列车某轮对发生打滑或空转故障后，为防止继续打滑而利用虚拟总轴的反馈调节特性来削减总力矩，多电机系统也会保持动态跟踪这种力矩变化，以维持系统总量一致，并且在粘着情况恢复正常之后再将总力矩恢复正常，在系统恢复以及维持稳态的同时也保证牵引动力总量一致性，以实现系统容错控制。
附图说明
图1本发明一个实施例的结构框图。
图2为本发明一个实施例电机正常启动时虚拟总轴输出转矩仿真图；
图3为本发明一个实施例电机正常启动时虚拟总轴输出参考信号、电机输出转矩总量仿真图；
图4为本发明一个实施例电机正常启动时总量协同跟踪误差仿真图；
图5为本发明一个实施例电机参数扰动时总量协同跟踪误差仿真图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
根据已有研究《Consensus-based total-amount cooperative trackingcontrol for multi-motor locomotive traction system》，多电机数学模型具体为：
Figure BDA0001855025150000031
式中，Rj、Lj分别表示电枢电路的电阻和电感,ij为电机电流,ωj为第j个电机齿轮箱的输出角速度,uj为电枢电路输入端口的电压,kej为反电动势常数, ktj为齿轮箱的传动比。J0j和J1j分别为电机和齿轮箱的转动惯量，b0j和b1j分别为电机和齿轮箱的粘滞摩擦系数,kmj为电机转矩常数,ΤLj为负载转矩,Τej为电机输出转矩。
由于多电机系统关于输出角速度是平滑可微的，因此所有的变量和控制输入都可以用输出角速度及其导数来表示，状态变量x1j＝ωj，x2j＝Tej，理想情况下，系统状态方程为：
Figure BDA0001855025150000032
其中
Figure BDA0001855025150000033
Figure BDA0001855025150000034
第j个电机的输出牵引转矩x2j＝Τej，则方程式可改写为：
Figure BDA0001855025150000041
电机在实际运行过程中存在未知扰动，其工作参数时变例如电阻、电感等参数会随温度变化而变化，并非为定值。令
Figure BDA0001855025150000042
Figure BDA0001855025150000043
分别表示a0j，a1j，beqj，bj的标称值，Δa0j，Δa1j，Δbeqj，Δbj则表示其不确定摄动值，则系统方程为：
Figure BDA0001855025150000044
其中，j＝1,2,...,n，
Figure BDA0001855025150000045
为时变的复合干扰。参数摄动值Δa0j、Δa1j、Δbeqj、Δbj以及状态变量在工程实际中是有界的。
本实施例利用虚拟总轴控制策略的反馈特性如图1所示，当某电机出现故障时，虚拟总轴反馈感知总电压值变化并对输出转矩总量进行调节直至恢复稳定状态，同时保证其输出值动态跟踪系统给定的参考值。
PI控制器的基本规律为：
u＝kI∫(Τd-Τref)+kP(Τd-Τref)
式中，u为受控量，控制器的输出信号；kI为积分增益；kP为比例增益；Τd为系统给定参考值；Τref为虚拟电机的动态输出。
为了保证多电机系统输出总牵引转矩动态跟踪系统参考转矩，将二者之间的误差定义为e，构造系统总量协同跟踪误差方程：
Figure BDA0001855025150000046
对e求导：
Figure BDA0001855025150000051
选取变积分滑模面
Figure BDA0001855025150000052
式中，c为根据列车运行在不同轨面而待设计的变积分系数。
Figure BDA0001855025150000053
设计滑模控制器：
Figure BDA0001855025150000054
Figure BDA0001855025150000055
…
Figure BDA0001855025150000056
式中，εj(j＝1,2,...,n)为大于零的任意常数，sgn(s)为符号函数，Dj≥|dj|。
为了证明所提出的控制律的稳定性，采用Lyapunov证明方法。考虑Lyapunov 函数：
Figure BDA0001855025150000057
对Lyapunov函数求导：
Figure BDA0001855025150000061
将控制器式(11)代入：
Figure BDA0001855025150000062
证毕。
通常情况下，采用
Figure BDA0001855025150000063
函数来代替切换函数sgn(s)，能够有效地减小由滑模变结构切换动作给控制系统带来的抖振现象。
图1为本发明提供的基于虚拟总轴的多电机总量协同一致控制框图，如图所示，该闭环系统由参考指令、虚拟总轴、电机和多电机总量一致控制策略组成。当高速列车某一轮对发生空转/打滑后，其相应电机的电压发生变化而导致电压之和的改变，为防止其他轮对相继空转/打滑故障，将所有驱动电机的电压之和作为系统反馈至虚拟总轴，虚拟总轴通过调节驱动电机电压之和来调节电机的总牵引转矩，确保所有电机的总牵引转矩动态跟踪参考转矩，直到稳态时维持系统总量一致，可表示如下：
Figure BDA0001855025150000064
图2为本发明提供的电机正常启动时基于虚拟总轴的多电机总量协同一致控制一个实施例的虚拟总轴输出转矩跟踪系统给定参考信号示意图。设定给定的系统时变参考指令信号为：
Figure BDA0001855025150000071
电机正常启动时，电机2在0.2s时受脉冲信号干扰影响发生空转；电机3 在0.5s时受高频信号干扰影响发生空转；电机4在0.8s时受突变信号干扰影响发生空转。如图所示，各电机打滑后，通过减小总力矩避免其它电机继续打滑，为保证系统的总量一致，再由虚拟总轴将所有电机转矩牵引至稳态值，这一动态过程均能在很短时间内完成。
图3为本发明提供的电机正常启动时基于虚拟总轴的多电机总量协同一致控制一个实施例的电机输出转矩总量跟踪虚拟总轴输出转矩示意图,由图中仿真结果可知在本文设计的总量协同一致跟踪策略下，系统可保持总量协同一致。
图4为本发明提供的电机正常启动时基于虚拟总轴的多电机总量协同一致控制一个实施例的总量协同跟踪误差示意图。由图中仿真结果可知跟踪误差出现在系统发生扰动时，虚拟总轴调节使得系统总转矩先减小后恢复至给定值的过程中，跟踪时间为0.0001s。
图5为本发明提供的参数摄动下基于虚拟总轴的多电机总量协同一致控制一个实施例的总量协同跟踪误差示意图。由图中仿真结果可知参数摄动下跟踪误差出现在系统发生不确定性扰动时，系统调节时间为0.002s，系统在参数摄动下仍具有良好的鲁棒容错性。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于虚拟总轴的多电机总量协同一致容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据直流电机理想状态方程，建立电机工作参数扰动情况下的状态方程；
S2、基于虚拟总轴控制策略设计虚拟控制器控制虚拟电机得到虚拟总轴的输出Tref，接收多电机系统反馈的驱动总电压值
Figure FDA0003298414630000011
uj为第j台电机的驱动电压，使得Tref实时跟踪给定的目标转矩值Td，n表示电机的个数；
S3、设计总量协同一致控制器，使多电机系统受到未知扰动时输出的转矩总量
Figure FDA0003298414630000012
Tej为第j台电机的输出转矩值，维持动态平衡：
Figure FDA0003298414630000013
e为多电机系统输出总转矩与Tref之间的跟踪误差，使得跟踪误差收敛并稳定在零附近，n表示电机的个数。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟总轴的多电机总量协同一致容错控制方法，其特征在于，定义状态变量x1j＝ωj，x2j＝Tej，步骤S1中的电机工作参数发生扰动时的状态方程为：
Figure FDA0003298414630000014
其中j＝1,2,...,n，
Figure FDA0003298414630000015
Figure FDA0003298414630000016
分别表示a0j，a1j，beqj，bj的标称值，Δa0j，Δa1j，Δbeqj，Δbj则表示有界的不确定扰动值，
Figure FDA0003298414630000017
ωj为第j个电机齿轮箱的输出角速度，
Figure FDA0003298414630000018
uj为电枢电路输入端口的电压，TLj为负载转矩，其中，ktj为齿轮箱的传动比，kmj为电机转矩常数，kej为反电动势常数，Rj为电枢电路的电阻，Lj为电枢电路的电感，
Figure FDA0003298414630000021
b0j和b1j分别为电机和齿轮箱的粘滞摩擦系数，
Figure FDA0003298414630000022
J0j和J1j分别为电机和齿轮箱的转动惯量。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟总轴的多电机总量协同一致容错控制方法，其特征在于，步骤S2中虚拟控制器输出电压u根据多电机系统反馈的实际电压总量
Figure FDA0003298414630000023
进行调节控制虚拟电机输出转矩Tref动态变化并反馈至虚拟控制器的输入端用于根据反馈的多电机系统实际工作状态调节Tref。
4.根据权利要求3所述的一种基于虚拟总轴的多电机总量协同一致容错控制方法，其特征在于，步骤S2中的虚拟控制器为PI控制器，具体表达为u＝kI∫(Td-Tref)+kP(Td-Tref)，其中，u为控制器输出的电压信号，kI为积分增益，kP为比例增益，Td为给定的转矩值，Tref为虚拟电机的动态转矩输出。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟总轴的多电机总量协同一致容错控制方法，其特征在于，所述步骤S3中设计积分滑模总量协同一致控制器具体表达为：
Figure FDA0003298414630000024
其中j＝1,2,...,n，εj为大于零的任意常数，s为积分滑模面，具体表达为
Figure FDA0003298414630000025
sgn(s)为符号函数，Dj≥|dj|，c为待设计的变积分系数；
Figure FDA0003298414630000026
ktj为齿轮箱的传动比，kmj为电机转矩常数，kej为反电动势常数，Rj为电枢电路的电阻，Lj为电枢电路的电感，
Figure FDA0003298414630000027
b0j和b1j分别为电机和齿轮箱的粘滞摩擦系数，
Figure FDA0003298414630000028
J0j和J1j分别为电机和齿轮箱的转动惯量；
Figure FDA0003298414630000029
x1j＝ωj表示第j个电机齿轮箱的输出角速度，x2j＝Tej表示第j个电机的输出牵引转矩，
Figure FDA00032984146300000210
表示对虚拟电机的动态输出Tref求导的值，dj代表时变的复合干扰，t表示时刻。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111614287B (zh) * 2020-05-27 2023-10-03 湖南工业大学 一种基于滑模变结构的多电机系统高性能协同控制方法
CN112015084B (zh) * 2020-07-08 2023-01-13 湖南工业大学 一种基于虚拟总轴的总量协同一致抗饱和控制方法
CN112398369B (zh) * 2020-10-12 2022-05-27 湖南工业大学 一种多电机总量协同有限时间抗饱和控制方法
CN113271042B (zh) * 2021-05-18 2023-07-04 湖南工业大学 一种多电机固定时间优化协同控制方法
CN113965109B (zh) * 2021-08-12 2023-10-10 湖南工业大学 一种多电机分层式总量最优协同的抗饱和控制方法
CN113890422B (zh) * 2021-09-28 2023-10-03 北京建筑大学 基于虚拟电机的多电机同步控制方法及装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101691020A (zh) * 2009-10-16 2010-04-07 江苏大学 一种用于虚拟轴机床刀具运动控制的滑模控制方法
JP2010213547A (ja) * 2009-03-12 2010-09-24 Jtekt Corp モータ制御装置
CN204168189U (zh) * 2014-10-29 2015-02-18 湖南工业大学 多电机实时同步控制系统
KR20160005252A (ko) * 2014-07-04 2016-01-14 현대자동차주식회사 차량의 건식클러치 제어방법
CN106208865A (zh) * 2016-08-10 2016-12-07 天津工业大学 基于负载观测器的多永磁同步电机虚拟总轴控制方法
CN107070315A (zh) * 2017-05-31 2017-08-18 湖南科技大学 一种多开关磁阻电机转速同步控制装置及控制方法
CN108270379A (zh) * 2018-02-02 2018-07-10 上海交通大学 一种多电机同步高精度滑模控制方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010213547A (ja) * 2009-03-12 2010-09-24 Jtekt Corp モータ制御装置
CN101691020A (zh) * 2009-10-16 2010-04-07 江苏大学 一种用于虚拟轴机床刀具运动控制的滑模控制方法
KR20160005252A (ko) * 2014-07-04 2016-01-14 현대자동차주식회사 차량의 건식클러치 제어방법
CN204168189U (zh) * 2014-10-29 2015-02-18 湖南工业大学 多电机实时同步控制系统
CN106208865A (zh) * 2016-08-10 2016-12-07 天津工业大学 基于负载观测器的多永磁同步电机虚拟总轴控制方法
CN107070315A (zh) * 2017-05-31 2017-08-18 湖南科技大学 一种多开关磁阻电机转速同步控制装置及控制方法
CN108270379A (zh) * 2018-02-02 2018-07-10 上海交通大学 一种多电机同步高精度滑模控制方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Comparison of Synchronization Control Techniques for Traction Motors of High-Speed Trains;Jian Li etal.;《2014 17th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS)》;20150119;全文 *
Total-Amount Synchronous Control Based on Terminal Sliding-Mode Control;Changfan Zhang etal.;《IEEE Access》;20170415;第5卷;全文 *
同步控制策略在高速列车牵引电机中的应用;董凡等;《微电机》;20160831(第08期);全文 *

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