王元東 王元亮 宋程 王作航 徐濱全

摘要：本文首先建立基于高速動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)的牽引電機(jī)控制模型。然后針對(duì)高速動(dòng)車(chē)組交流異步牽引電機(jī)的非線(xiàn)性及強(qiáng)耦合特征，對(duì)牽引電機(jī)非線(xiàn)性模型使用逆系統(tǒng)法將其解耦為轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速兩個(gè)線(xiàn)性子系統(tǒng)，將線(xiàn)性化后的牽引電機(jī)模型引入列車(chē)通信控制網(wǎng)絡(luò)（Train Communication Network，TCN）之中，并使用動(dòng)態(tài)輸出反饋控制法設(shè)計(jì)牽引電機(jī)的網(wǎng)絡(luò)控制器。最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：本文采用動(dòng)態(tài)輸出反饋控制法設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)控制器比把PD控制器作為網(wǎng)絡(luò)控制器的方法更好，既可快速地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈的動(dòng)態(tài)解耦也可使?fàn)恳姍C(jī)的轉(zhuǎn)速更平穩(wěn)且轉(zhuǎn)子磁鏈曲線(xiàn)的超調(diào)量更小。

關(guān)鍵詞：高速動(dòng)車(chē)組;牽引電機(jī);TCN;網(wǎng)絡(luò)控制器;網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

中圖分類(lèi)號(hào)：U266.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）20-0063-02

0? 引言

交流異步牽引電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用于高速動(dòng)車(chē)組的研制中。當(dāng)前，高速動(dòng)車(chē)組的牽引控制是通過(guò)TCN來(lái)實(shí)現(xiàn)的[1]。但TCN也給異步電機(jī)牽引系統(tǒng)帶來(lái)了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，使得對(duì)異步電機(jī)牽引控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較困難。當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)控制分析方法主要集中在線(xiàn)性系統(tǒng)領(lǐng)域，故要實(shí)現(xiàn)異步牽引電機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化控制，就必須解決異步牽引電機(jī)線(xiàn)性化解耦的問(wèn)題。本文針對(duì)以上問(wèn)題，考慮不確定的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，采用逆系統(tǒng)法實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)解耦控制。

1? 基于高速動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)的牽引電機(jī)逆解耦控制模型

本文所研究的基于高速動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)的異步牽引電機(jī)控制結(jié)構(gòu)可分為：牽引電機(jī)偽線(xiàn)性復(fù)合系統(tǒng)、具有不確定時(shí)延的列車(chē)通信控制網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)控制器，如圖1所示。

1.1 高速動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與不確定的時(shí)延? 當(dāng)前，研究表明高速動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)存在時(shí)延，傳感器到控制器及控制器到執(zhí)行器均存在時(shí)延[2]。時(shí)延是導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的重要因素。設(shè)？子sc與？子ca分別表示傳感器到控制器的時(shí)延、控制器到執(zhí)行器時(shí)延?？刂破髋c執(zhí)行器均由事件驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)存在不確定時(shí)延，控制率一定時(shí)，傳感器到控制器的時(shí)延和控制器到執(zhí)行器時(shí)延可寫(xiě)為？子k=？子sc+？子ca。0？燮？子min？燮？子k？燮？子max？燮T，其中？子max與？子min為常數(shù)，T為采樣周期。

1.2 基于高速動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)的牽引電機(jī)控制模型? 牽引電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制器提供的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制信號(hào)va與轉(zhuǎn)子磁通控制信號(hào)vb，使?fàn)恳姍C(jī)輸出轉(zhuǎn)速與磁鏈幅值精確地跟蹤參考信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)化的牽引電機(jī)控制系統(tǒng)狀態(tài)空間可描述為：

其中：

采樣周期為T(mén)，網(wǎng)絡(luò)化的異步牽引電機(jī)控制系統(tǒng)可被數(shù)字化為：

其中：椎1，？椎2是時(shí)變的。B1、B2、D、E為定常矩陣，其與F（？子K）的取值根據(jù)系統(tǒng)系數(shù)矩陣A的特征值為互異還是有零特征根和重根的情況而定，系統(tǒng)穩(wěn)定條件為FT（？子K）F（？子K）？燮I。

1.3 高速動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)的網(wǎng)絡(luò)控制器? 使用動(dòng)態(tài)輸出反饋控制法設(shè)計(jì)反饋控制器為：

其中，分別表示控制器的狀態(tài)、控制器的輸出，矩陣Ac、Bc和K是已知的適當(dāng)維數(shù)的矩陣。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延為0？燮？子K？燮T時(shí)，考慮式（2）和（5），可得閉環(huán)系統(tǒng)模型為：

對(duì)包含不確定時(shí)延0？燮？子K？燮T的動(dòng)態(tài)輸出反饋閉環(huán)系統(tǒng)，如存在正定矩陣P、M及N，且標(biāo)量？著和？著1？叟0滿(mǎn)足W<0，則對(duì)任意滿(mǎn)足■條件的不確定時(shí)延，閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

2? 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文將基于TCN標(biāo)準(zhǔn)的高速動(dòng)車(chē)組的交流異步牽引電機(jī)作為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)中所用軟件為MATLAB。交流異步牽引電機(jī)的相關(guān)參數(shù)如下：額定電壓為2.75 kV，額定功率為562 kW，額定頻率為138 Hz，轉(zhuǎn)子漏電感為1.91 mH，定子漏電感為1.42 mH，互感為53.7 mH，極對(duì)數(shù)為2，磁鏈給定？鬃ref=1.52Wb，轉(zhuǎn)速給定？棕ref=205rad/s，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。

當(dāng)采用PD控制器補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)系統(tǒng)的影響時(shí)[3]，采樣周期為0.01s。轉(zhuǎn)子磁鏈幅值與轉(zhuǎn)速初始值分別為？鬃ref=1.5Wb及？棕ref=205rad/s，在t=1.5s時(shí)給定轉(zhuǎn)速變?yōu)?？棕ref=314rad/s，而轉(zhuǎn)子磁鏈幅值在t=2.5s時(shí)，磁鏈為？鬃ref=0.8Wb，轉(zhuǎn)子磁鏈及轉(zhuǎn)速的輸出響應(yīng)分別如圖3（a）、3（b）所示。當(dāng)采用式（5）所述的網(wǎng)絡(luò)控制器來(lái)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)系統(tǒng)的影響時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鏈及轉(zhuǎn)速的輸出響應(yīng)分別如圖4（a）、4（b）所示。由圖3（a）與圖4（a）可知：當(dāng)采用PD控制器時(shí)，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈曲線(xiàn)的超調(diào)量較大且在25s后轉(zhuǎn)子磁鏈曲線(xiàn)振蕩很劇烈，但當(dāng)采用本文所提出的網(wǎng)絡(luò)控制器時(shí)，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈曲線(xiàn)的超調(diào)量明顯減小且轉(zhuǎn)子磁鏈曲線(xiàn)振蕩的程度顯著地得到改善。由圖3（b）與圖4（b）可知：當(dāng)采用PD控制器時(shí)，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)有明顯的振蕩且趨于穩(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng)，但采用本文所提出的網(wǎng)絡(luò)控制器時(shí)，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)較平穩(wěn)且趨于穩(wěn)定的時(shí)間明顯變短。

3? 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用逆系統(tǒng)法對(duì)具有非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的異步牽引電機(jī)模型進(jìn)行線(xiàn)性化解耦，然后考慮存在不確定網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的情況，使用動(dòng)態(tài)輸出反饋控制法設(shè)計(jì)反饋控制器。結(jié)果表明：本文所提出的方法可快速地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈的動(dòng)態(tài)解耦，所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)控制器比PD控制器對(duì)有網(wǎng)絡(luò)不確定時(shí)延的系統(tǒng)具有更好的控制效果。

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