CN113341701A - 一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法，涉及控制技术领域，具体如下：（1）首先运用基尔霍夫定律构建单向导通装置的小信号电路模型，并将输出电流和输出电压作为状态变量，运用状态空间平均法获得系统输出电流和输出电压的状态方程；（2）基于电压传感器和电流传感器的输出信号构建出观测方程；（3）通过状态方程和观测方程，并联合基于Huber的卡尔曼滤波器对电压信号和电流信号进行精确测量；（4）设计PID控制器完成单向导通装置输出电压和输出电流的控制；（5）构建适应度优化函数，并采用全局优化算法优化PID控制器的参数。本方法不仅可以剔除电压传感器和电流传感器输出的异常值，而且具有较高的控制精度。
Description
技术领域
本发明涉及控制技术领域，特别是一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法。
背景技术
随着科学技术的和城市化的发展，大运量的轨道交通(地铁、轻轨)在城市中也扮演着越来越重要的作用，已经成为城市人民生活中不可或缺的部分。
由于停车场、车辆段多采用有砟道床，其钢轨对地泄漏电阻相较于正线整体道床更低，如果轨道采用全线直接连通的形式，则在绝缘薄弱区域即使没有机车运行也会造成很大的杂散电流泄漏。因此，为了确保正线电流不经场段内钢轨泄漏进入大地，通常在出入段(场)有砟道床与整体道床的分界点钢轨设置绝缘节和普通单向导通装置。然而，虽然采用绝缘节加单向导通的方式可以缓解该区间段的杂散电流泄漏，但是由于单向导通装置的反向截止功能，牵引回流只能从轨道一侧流回牵引变电所，这种单向回流的方式会导致地铁途经绝缘节的瞬间，列车与钢轨接触处的电压和电流发生突变，从而产生高强度的电弧并引起轨道电位升高，尤其是当机车以再生制动方式经过绝缘节时，由于电流方向发生改变，起弧现象更为严重。绝缘节烧毁会产生严重的后果，其一是绝缘节烧毁后难于更换，维修时间长，影响列车正常运行。二是在绝缘节发生拉弧烧毁时，会灼伤钢轨，造成钢轨的不平整，在列车高速运行时影响行车安全。而轨道电位升高不仅会危及乘客的安全，又会增加杂散电流的泄漏，对周边的金属结构会产生电化学腐蚀，从而造成经济损失并引发安全隐患。
为了抑制列车驶入(出)绝缘节时的电弧打火和轨道电位上升现象，应该消除绝缘节两端钢轨的电压差，使其低于起弧的电压。目前，具有消弧功能的单向导通装置可以有效消除绝缘节打火以及轨道电位上升的问题。但是，地铁回流系统中的牵引电流是一波动电流，其变化率可以达到每秒几千安培，地铁列车的频繁加减速也会使得电流的方向发生改变。除此之外，地铁轨道作为一种不规则的铁磁性材料，频繁变化的牵引电流会在轨道周围产生强烈的电磁场。这就导致单向导通装置长期处于恶劣的工况环境中，电磁干扰会影响电子仪器的准确性以及电子设备的正常工作，其结果不仅会降低单向导通装置的控制精度以及动态性能，而且会降低其运行的可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法，本发明不仅可以剔除电压传感器和电流传感器输出的异常值，而且具有较高的控制精度。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法,单向导通装置智能控制装置包括测量地铁走行轨的电压、电流的装置和主控制器，测量地铁走行轨的电压、电流的装置包括单向导通装置、可控硅晶闸管和续流电感，主控制器包括卡尔曼滤波器模块、PID控制器模块、参数优化模块和PWM波生成模块，主控制器对续流电感的电压和电流进行控制，具体步骤如下：
步骤一、运用基尔霍夫定律构建单向导通装置的小信号电路模型，并将续流电感的电流和电压作为状态变量，运用状态空间平均法获得可控硅晶闸管连续导通模式下的单向导通装置的过程方程；
步骤二、测量续流电感的电流和电压，结合该电压和电流即构建出单向导通装置的观测方程；
步骤三、卡尔曼滤波器模块用于结合步骤一和步骤二所建立的单向导通装置的状态空间模型，状态空间模型包括单向导通装置的过程方程和观测方程，运用卡尔曼滤波算法估计出续流电感的电压和电流；
步骤四、将步骤三估计出的续流电感的电压和电流与预设的电压、预设的电流分别进行比较，比较的结果输入至PID控制器模块，PID控制器模块结合所构建的单向导通装置的状态空间模型，采用PID双闭环控制策略对输入的比较结果进行计算，PID控制器模块输出的计算结果输入至PWM生成模块，PWM生成模块用于根据PID控制器模块输出的计算结果输出PWM波，PWM波经驱动装置转换后实现续流电感的电流和电压的控制；
步骤五、构建适应度优化函数，参数优化模块采用全局优化算法优化适应度优化函数直至续流电感的电压和电流达到预设的目标；适应度优化函数是与PID控制器模块的参数、续流电感的电压、电流相关的函数；目标是指预设的电压和电流。
作为本发明所述的一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法进一步优化方案，步骤二中，采用电压检测装置以及电流检测装置测量续流电感的电流和电压。
作为本发明所述的一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法进一步优化方案，单向导通装置转化为buck电路拓扑结构，其单向导通装置的状态空间模型如下所示
其中，x1和x2分别代表电压和电流的状态，
表示电压和电流的变化量，L代表等效电感、R代表等效电阻、C代表等效电容、Vin代表输入电压、u代表主控制器输入，F代表系统状态转移矩阵，x代表系统状态，G代表控制输入矩阵，Q为系统噪声协方差矩阵。
作为本发明所述的一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法进一步优化方案，步骤二中，单向导通装置的观测方程定义如下
其中z1和z2分别代表电压检测装置和电流检测装置采集的电压信号和电流信号，Rm代表量测协方差矩阵，H代表量测矩阵。
作为本发明所述的一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法进一步优化方案，在步骤三中，卡尔曼滤波算法选择基于Huber的卡尔曼滤波算法，其中Huber函数被选择作为代价函数。
作为本发明所述的一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法进一步优化方案，在步骤三中，基于Huber的卡尔曼滤波器算法包含时间更新、代价函数计算、量测更新三个步骤。
作为本发明所述的一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法进一步优化方案，在步骤五中，基于均方误差的形式构建适应度优化函数，并基于量子粒子群算法对PID控制器模块的参数进行优化。
作为本发明所述的一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法进一步优化方案，在步骤三中，在基于Huber的卡尔曼滤波算法中，调节因子设置为1.35。
作为本发明所述的一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法进一步优化方案，单向导通装置智能控制装置包括单向导通装置、电流检测装置、可控硅晶闸管、电压检测装置、主控制器和驱动装置；其中，
单向导通装置的正极与地铁绝缘节的一端、可控硅晶闸管的负极分别连接，单向导通装置的负极与地铁绝缘节的另一端、电流检测装置的一端分别连接，电流检测装置的另一端与续流电感的一端连接，续流电感的另一端与可控硅晶闸管的正极连接，电压检测装置与续流电感并联，主控制器的电压电流采集引脚分别与电压检测装置和电流检测装置相连，主控制器的驱动引脚与驱动装置相连；
电压检测装置和电流检测装置分别用于续流电感的电压和电流，并将电压和电流输入至主控制器；
主控制器，主控制器用于对接收的电压和电流进行控制，输出控制信号至驱动装置；
驱动装置，用于根据主控制器输出的控制信号，控制可控硅晶闸管的开启和关断。
作为本发明所述的一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法进一步优化方案，还包括辅助电源电路，辅助电源电路的供电引脚连接到主控制器以及驱动装置的电源引脚上，分别为主控制器以及驱动装置提供电源；主控制器的PWM输出引脚连接到驱动装置的输入引脚上，驱动装置与可控硅晶闸管相连，电压检测装置和电流检测装置的输出引脚连接到主控制器的AD引脚上。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明不仅可以剔除电压检测装置和电流检测装置输出的异常值，而且具有较高的控制精度，同时所设计的控制器模块具有较强的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为智能控制器控制策略流程图。
图3为量子粒子群优化控制器参数流程图。
图中的附图标记解释为：1-单向导通器件、2-绝缘节、3-电流检测装置、4-可控硅晶闸管、5-电压检测装置、6-主控制器、7-卡尔曼滤波器模块、8-PID控制器模块、9-参数优化模块、10-PWM波生成模块、11-辅助电源电路模块、12-驱动装置、13-地铁走行轨、14-地铁、15-续流电感。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1是本发明的整体结构示意图，所述的单向导通装置智能控制器包括1为单向导通器件、2为绝缘节、3为电流检测装置、4为可控硅晶闸管、5为电压检测装置、6为主控制器、7为卡尔曼滤波器模块、8为PID控制器模块、9为参数优化模块、10为PWM波生成模块、11为辅助电源电路模块、12为驱动装置、13为地铁走行轨、14为地铁、15为续流电感。单向导通装置1连接在绝缘节2的两端。电压检测装置5并联在续流电感15两端，电流检测装置3与续流电感15串联，电压检测装置5和电流检测装置3分别用于测量地铁走行轨的电压和电流。电压检测装置5和电流检测装置3的输出引脚连接到主控制器6的AD引脚上。其中主控制器6内部集成了卡尔曼滤波器模块7、PID控制器模块8、参数优化模块9、PWM波生成模块10。辅助电源电路11的供电引脚连接到主控制器6以及驱动装置12的电源引脚上，分别为这两种设备提供电源。主控制器6的PWM输出引脚连接到驱动装置12的输入引脚上，驱动装置12与可控硅晶闸管4相连，可以控制可控硅晶闸管的开启和关断。
如图2是智能控制器的控制策略流程图，具体控制流程包含以下几个步骤
步骤一：运用基尔霍夫定律构建智能单向导通装置的小信号电路模型，并将并将续流电感的电流和电压作为状态变量，运用状态空间平均法获得可控硅晶闸管连续导通模式下的单向导通装置的过程方程，如下所示。
其中x1和x2分别代表电压和电流的状态，L代表等效电感、R代表等效电阻、C代表等效电容、Vin代表输入电压、u代表控制器输入，F代表系统状态转移矩阵，x代表系统状态，G代表控制输入矩阵，Q为系统噪声协方差矩阵
步骤二：采用电压检测装置和电流检测装置测量续流电感的电流和电压，结合电压检测装置和电流检测装置的输出信号即可构建出智能单向导通装置系统的观测方程，所构建的观测方程如下所示
其中z1和z2分别代表电压传感器和电流传感器采集的电压信号和电流信号，Rm代表量测的协方差矩阵，其数值大小可以通过阿伦方差进行测量
步骤三：考虑到电压检测装置和电流检测装置的输出存在噪声干扰，同时地铁现场复杂的电磁环境会造成电压检测装置和电流检测装置输出异常值，因此在步骤三中结合步骤一和步骤二所建立的状态方程和观测方程，运用基于Huber的卡尔曼滤波算法完成续流电感的电流和电压的精确估计，具体流程如下包括：1)卡尔曼滤波时间更新，时间更新包含两个步骤状态的一预测以及状态一步预测协方差矩阵更新，其中状态的一步预测为
状态一步预测均方差为Pk/k-1＝FPk-1FT 2)代价函数的计算：代价函数的计算包括计算变换新息以及Huber增益3)第三步是结合观测方程实现对状态的精确估计，包括卡尔曼滤波器的增益更新、状态估计以及状态的均方误差估计三个子步骤。采用了基于Huber的卡尔曼滤波器后，我们就可以完成输入电压和输入电流的精确测量，同时防止外部电磁环境对于系统干扰。
步骤四：结合所构建的状态方程和输出方程，采用PID双闭环控制策略实现系统电流和电压的控制，其中PID双闭环策略包含电流环和电压环，电流环主要用于电流的控制、而电压环用于输出电压的控制
步骤五：构建适应度优化函数，参数优化模块采用量子粒子群优化算法优化适应度优化函数直至续流电感的电压和电流达到预设的目标；适应度优化函数是与PID控制器模块的参数、续流电感的电压、电流相关的函数；目标是指预设的电压和电流，进而完成智能单向导通装置控制器的设计。
如图3是量子粒子群优化控制器参数流程图，具体优化流程包含以下几个步骤
步骤一：种群初始化：包括初始化量子粒子群算法的最大迭代次数、种群规模。该控制器所需要优化的目标变量为电流环的PID参数以及电压环的PID参数，共6个优化目标变量。在初始化时需要设置优化变量的参数范围。
步骤二：最优适应度函数的计算。初始时刻需要计算初始的适应度值，在本次优化过程中采用均方误差函数作为我们的适应度函数，并将其作为第一代例子的局部最优适应度值。
步骤三：在每一次迭代中计算收缩扩张系数、并更新粒子的位置以及计算当前的适应度值。若得到的当前适应度值小于之前计算的适应度值，那么当前优化的PID参数作为局部最优参数，并将该次计算的适应度值作为局部最小适应度值。
步骤四：如果迭代次数小于设定的阈值，那么将继续执行步骤三，否则，迭代结束，之前保存的局部最优参数将作为电流环和电压环的最优PID控制参数。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法,单向导通装置智能控制装置包括测量地铁走行轨的电压、电流的装置和主控制器，测量地铁走行轨的电压、电流的装置包括单向导通装置、可控硅晶闸管和续流电感，其特征在于，主控制器包括卡尔曼滤波器模块、PID控制器模块、参数优化模块和PWM波生成模块，主控制器对续流电感的电压和电流进行控制，具体步骤如下：
步骤一、运用基尔霍夫定律构建单向导通装置的小信号电路模型，并将续流电感的电流和电压作为状态变量，运用状态空间平均法获得可控硅晶闸管连续导通模式下的单向导通装置的过程方程；
步骤二、测量续流电感的电流和电压，结合该电压和电流即构建出单向导通装置的观测方程；
步骤三、卡尔曼滤波器模块用于结合步骤一和步骤二所建立的单向导通装置的状态空间模型，状态空间模型包括单向导通装置的过程方程和观测方程，运用卡尔曼滤波算法估计出续流电感的电压和电流；
步骤四、将步骤三估计出的续流电感的电压和电流与预设的电压、预设的电流分别进行比较，比较的结果输入至PID控制器模块，PID控制器模块结合所构建的单向导通装置的状态空间模型，采用PID双闭环控制策略对输入的比较结果进行计算，PID控制器模块输出的计算结果输入至PWM生成模块，PWM生成模块用于根据PID控制器模块输出的计算结果输出PWM波，PWM波经驱动装置转换后实现续流电感的电流和电压的控制；
步骤五、构建适应度优化函数，参数优化模块采用全局优化算法优化适应度优化函数直至续流电感的电压和电流达到预设的目标；适应度优化函数是与PID控制器模块的参数、续流电感的电压、电流相关的函数；目标是指预设的电压和电流。
2.根据权利要求1所述的一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法，其特征在于，步骤二中，采用电压检测装置以及电流检测装置测量续流电感的电流和电压。
3.根据权利要求1所述的一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法,其特征在于，单向导通装置转化为buck电路拓扑结构，其单向导通装置的状态空间模型如下所示
其中，x1和x2分别代表电压和电流的状态，
表示电压和电流的变化量，L代表等效电感、R代表等效电阻、C代表等效电容、Vin代表输入电压、u代表主控制器输入，F代表系统状态转移矩阵，x代表系统状态，G代表控制输入矩阵，Q为系统噪声协方差矩阵。
4.根据权利要求1所述的一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法,其特征在于，步骤二中，单向导通装置的观测方程定义如下
其中z1和z2分别代表电压检测装置和电流检测装置采集的电压信号和电流信号，Rm代表量测协方差矩阵，H代表量测矩阵。
5.根据权利要求1所述的一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法,其特征在于，在步骤三中，卡尔曼滤波算法选择基于Huber的卡尔曼滤波算法，其中Huber函数被选择作为代价函数。
6.根据权利要求1所述的一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法,其特征在于，在步骤三中，基于Huber的卡尔曼滤波器算法包含时间更新、代价函数计算、量测更新三个步骤。
7.根据权利要求1所述的一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法,其特征在于，在步骤五中，基于均方误差的形式构建适应度优化函数，并基于量子粒子群算法对PID控制器模块的参数进行优化。
8.根据权利要求1所述的一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法，其特征在于，在步骤三中，在基于Huber的卡尔曼滤波算法中，调节因子设置为1.35。
9.根据权利要求1所述的一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法,其特征在于，单向导通装置智能控制装置包括单向导通装置、电流检测装置、可控硅晶闸管、电压检测装置、主控制器和驱动装置；其中，
单向导通装置的正极与地铁绝缘节的一端、可控硅晶闸管的负极分别连接，单向导通装置的负极与地铁绝缘节的另一端、电流检测装置的一端分别连接，电流检测装置的另一端与续流电感的一端连接，续流电感的另一端与可控硅晶闸管的正极连接，电压检测装置与续流电感并联，主控制器的电压电流采集引脚分别与电压检测装置和电流检测装置相连，主控制器的驱动引脚与驱动装置相连；
电压检测装置和电流检测装置分别用于续流电感的电压和电流，并将电压和电流输入至主控制器；
主控制器，主控制器用于对接收的电压和电流进行控制，输出控制信号至驱动装置；
驱动装置，用于根据主控制器输出的控制信号，控制可控硅晶闸管的开启和关断。
10.根据权利要求9所述的一种稳健的单向导通装置智能控制装置的控制方法,其特征在于，还包括辅助电源电路，辅助电源电路的供电引脚连接到主控制器以及驱动装置的电源引脚上，分别为主控制器以及驱动装置提供电源；主控制器的PWM输出引脚连接到驱动装置的输入引脚上，驱动装置与可控硅晶闸管相连，电压检测装置和电流检测装置的输出引脚连接到主控制器的AD引脚上。
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