CN109828550A - 一种基于容错性分析的轨道列车轮对横向稳定控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于容错性分析的轨道列车轮对横向稳定控制方法，主要包含以下步骤：依附机构嵌入在列车上与之同步运动，具有状态参数检测机构其设置在所述依附机构上，且同步采集车轮的运行状态参数；建立列车轮对横移的横向动力学运动方程，考虑传感器噪声和估计系统参数偏差，构建轮对横移状态空间方程；构造了状态观测估计器，获取列车轮对运行的观测信息；基于获取的轮对运行观测信息进行容错验证并设计主动容错控制器，对控制参数进行微调。
Description
技术领域
本发明属于本发明涉容错分析技术，特别涉及一种基于容错性分析的轨道列车轮对横向稳定控制方法。
背景技术
列车轮对运行状态的监测可以提高列车维修的效率，保证列车的运行安全。国内外的大量学者都对列车轮对运行状态监测进行了大量研究，界上大多数国家采用几何状态监测，主要监测高低、水平、轨向、轨距等，并且该监测技术正在向高精度、高速率、数字化、综合化方向发展，但这些检测技术都是对轨道、轮对的静态检测，无法对列车轮对的运行状态实时在线监测，轨道车辆轮对主动导向控制是提升车辆性能的有效手段，这需要实时获取轮对状态信息(横移量、冲角和左右车轮相对转速)和线路信息(曲率和超高)用于轮对状态反馈控制。但在实际轨道车辆中使用传感器直接测量上述信息时存在安装不便、经济性差等问题，为提高铁路运输的管理质量水平和安全防护水平，亟需建立基于容错分析验证的轮对稳定控制方法。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足，设计出一种基于容错性分析的轨道列车轮对横向稳定控制方法。
其主要包含以下步骤：1)、依附机构嵌入在列车上与之同步运动，具有状态参数检测机构其设置在所述依附机构上，且同步采集车轮的运行状态参数；
2)、建立列车轮对横移的横向动力学运动方程，考虑传感器噪声和估计系统参数偏差，构建轮对横移状态空间方程；
3)、构造了状态观测估计器，获取列车轮对运行的观测信息；
4)、基于获取的轮对运行观测信息进行容错验证并设计主动容错控制器，对控制参数进行微调；
优选的，所述状态参数检测机构检测的状态参数为轮对质量、轮对的横移量、横移速度和横移加速度、轮对前进线速度、轮对冲角。
优选的，所述步骤2)所述轮对横移的横向动力学运动方程为：
其中，m是为轮对质量；y1和y2和y3分别为轮对的横移量、横移速度和横移加速度，f11和f22分别为纵向和横向蠕滑系数，r为曲线半径，θ为线路超高角，k为轮对横向刚度，g为重力加速度，v为轮对前行线速度，φ为轮对冲角；
考虑传感器噪声和估计系统参数偏差，将横向动力学模型中的参数设置为空间状态方程的状态向量X(t)的向量组成，并将动力学模型转化为以下状态空间表达：
y(t)＝Cx(t)+Ffs
x(t)是状态向量，u(t)是输入向量，y(t)是输出向量，w(t)为未知输入向量，fs为传感器噪声向量，A、B、D是实矩阵，C和F为满秩矩阵，ΔA、ΔB、ΔD为相应系数矩阵的系统偏差矩阵。
优选的，步骤3)所述状态观测估计器的状态方程为：
其中，U＝CD，为未知输入的渐进最优估计；为系统状态的渐近估计；为可测输出的1阶微分估计；U为系数矩阵C与D的乘积。
优选的，步骤3)所述观测器以曲率、线路超高角作为未知估计参数。
优选的，步骤3)所述观测器使用高阶、高增益滑模观测器估计。
优选的，步骤4)所述进行容错验证是采用对状态参数检测机构采用±5％或±10％的噪声干扰，以验证未知估计参数的估计偏差，当存在偏差时，通过控制器对控制参量进行微调。
本发明与现有技术相比，其有益的技术效果为：
1、通过设置噪声干扰和系统偏差的容错性验证分析，优化轮对控制的参数范围，更提高了铁路运输列车状态的仿真计算和状态监测等工作结果的精确度。
2、本发明选取维数较低的列车运行参数信息来设计故障观测器和容错控制器，避免了由于系统状态维数过高给列车监测系统带来的负担。
附图说明
图1是本发明的结构流程图。
具体实施方式
独立车轮轮对具有横移、摇头和左右车轮相对转速的3个自由度，一种基于容错性分析的轨道列车轮对横向稳定控制方法。
其主要包含以下步骤：1)、依附机构嵌入在列车上与之同步运动，具有状态参数检测机构其设置在所述依附机构上，且同步采集车轮的运行状态参数；
2)、建立列车轮对横移的横向动力学运动方程，考虑传感器噪声和估计系统参数偏差，构建轮对横移状态空间方程；
3)、构造了状态观测估计器，获取列车轮对运行的观测信息；
4)、基于获取的轮对运行观测信息进行容错验证并设计主动容错控制器，对控制参数进行微调；
优选的，所述状态参数检测机构检测的状态参数为轮对质量、轮对的横移量、横移速度和横移加速度、轮对前进线速度、轮对冲角。
优选的，所述步骤2)所述轮对横移的横向动力学运动方程为：
其中，m是为轮对质量；y1和y2和y3分别为轮对的横移量、横移速度和横移加速度，f11和f22分别为纵向和横向蠕滑系数，r为曲线半径，θ为线路超高角，k为轮对横向刚度，g为重力加速度，v为轮对前行线速度，φ为轮对冲角；
考虑传感器噪声和估计系统参数偏差，将横向动力学模型中的参数设置为空间状态方程的状态向量X(t)的向量组成，并将动力学模型转化为以下状态空间表达：
y(t)＝Cx(t)+Ffs
x(t)是状态向量，u(t)是输入向量，y(t)是输出向量，w(t)为未知输入向量，fs为传感器噪声向量，A、B、D是实矩阵，C和F为满秩矩阵，ΔA、ΔB、ΔD为相应系数矩阵的系统偏差矩阵，其中
步骤3)所述状态观测估计器的状态方程为：
其中，U＝CD，为未知输入的渐进最优估计；为系统状态的渐近估计；为可测输出的1阶微分估计；U为系数矩阵C与D的乘积。
曲率、线路超高角和轨道不平顺作为未知输入参数，可选择轮对横移速度(横向加速度传感器积分获得)和轮对摇头速度(陀螺仪测得)作为可测输出参数。由于传感器已经测定轮对部分的状态，因此只需使用降维观测器估计其它的未测状态，如主动控制关注的轮对横移量、轮对冲角和左右车轮相对转速等；
由于车轮半径会因车轮磨耗而变小，即实际系统中车轮半径是变化的，因此估计系统中的车轮半径需要根据实测值不断进行修正；
步骤3)所述观测器使用高阶、高增益滑模观测器估计；
步骤4)所述进行容错验证是采用对状态参数检测机构采用幅值为被测信号最大值是±5％或±10％的噪声干扰，以验证未知估计参数的估计偏差，当存在偏差时，通过控制器对控制参量进行微调；
根据验证的结果，1)轮对状态估计结果对传感器噪声具有极强的容错性，线路曲率的估计误差主要源于轨道不平顺，与噪声强度无关；
2)轮对冲角的估计偏差始终很小，其估计的结果对系统参数偏差具有较好的鲁棒性。
以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种基于容错性分析的轨道列车轮对横向稳定控制方法，其特征在于主要包含以下步骤：
1)、依附机构嵌入在列车上与之同步运动，具有状态参数检测机构其设置在所述依附机构上，且同步采集车轮的运行状态参数；
2)、建立列车轮对横移的横向动力学运动方程，考虑传感器噪声和估计系统参数偏差，构建轮对横移状态空间方程；
3)、构造了状态观测估计器，获取列车轮对运行的观测信息；
4)、基于获取的轮对运行观测信息进行容错验证并设计主动容错控制器，对控制参数进行微调。
2.根据权利要求1所述的一种基于容错性分析的轨道列车轮对横向稳定控制方法，其特征在于：状态参数检测机构检测的状态参数为轮对质量、轮对的横移量、横移速度和横移加速度、轮对前进线速度、轮对冲角。
3.根据权利要求1所述的一种基于容错性分析的轨道列车轮对横向稳定控制方法，其特征在于，步骤2)所述轮对横移的横向动力学运动方程为：
其中，m是为轮对质量；y1和y2和y3分别为轮对的横移量、横移速度和横移加速度，f11和f22分别为纵向和横向蠕滑系数，r为曲线半径，θ为线路超高角，k为轮对横向刚度，g为重力加速度，v为轮对前行线速度，φ为轮对冲角；
考虑传感器噪声和估计系统参数偏差，将横向动力学模型中的参数设置为空间状态方程的状态向量X(t)的向量组成，并将动力学模型转化为以下状态空间表达：
y(t)＝Cx(t)+Ffs
x(t)是状态向量，u(t)是输入向量，y(t)是输出向量，w(t)为未知输入向量，fs为传感器噪声向量，A、B、D是实矩阵，C和F为满秩矩阵，ΔA、ΔB、ΔD为相应系数矩阵的系统偏差矩阵。
4.根据权利要求1所述的一种基于容错性分析的轨道列车轮对横向稳定控制方法，其特征在于，步骤3)所述状态观测估计器的状态方程为：
其中，U＝CD，为未知输入的渐进最优估计；为系统状态的渐近估计；为可测输出的1阶微分估计；U为系数矩阵C与D的乘积。
5.根据权利要求1所述的一种基于容错性分析的轨道列车轮对横向稳定控制方法，其特征在于：步骤3)所述观测器以曲率、线路超高角作为未知估计参数。
6.根据权利要求1所述的一种基于容错性分析的轨道列车轮对横向稳定控制方法，其特征在于：步骤3)所述观测器使用高阶、高增益滑模观测器估计。
7.根据权利要求6所述的一种基于容错性分析的轨道列车轮对横向稳定控制方法，其特征在于：步骤4)所述进行容错验证是采用对状态参数检测机构采用±5％或±10％的噪声干扰，以验证未知估计参数的估计偏差，当存在偏差时，通过控制器对控制参量进行微调。
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|---|---|---|---|---|
| CN104360679A (zh) * | 2014-10-21 | 2015-02-18 | 南京航空航天大学 | 基于动态执行器的列车悬挂系统故障诊断与容错控制方法 |
| CN105550453A (zh) * | 2015-12-22 | 2016-05-04 | 成都市新筑路桥机械股份有限公司 | 一种有轨电车及其嵌入式轨道耦合动力学模型的建模方法 |
| CN106094514A (zh) * | 2016-06-06 | 2016-11-09 | 南京邮电大学 | 基于动态输出反馈控制的柔性航天器主动容错控制方法 |
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