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基于列车通信网络的牵引控制系统建模及控制策略研究

李欣  
【摘要】:随着网络控制系统广泛应用于高速动车组和城市轨道交通列车,以交流异步牵引电机为核心设备的网络化列车牵引控制系统作为一个功能相对独立的控制系统是确保动车组安全、可靠和稳定运行的关键系统。网络化列车牵引控制系统实现的是交流异步牵引电机的网络化控制功能,牵引控制系统网络化后对其控制性能的影响和交流异步牵引电机非线性控制问题是需要解决的重要问题。将网络控制系统分析方法和牵引电机解耦控制方法相结合,研究网络化列车牵引控制系统建模和网络化控制策略对实现网络条件下交流异步牵引电机的高性能控制具有重要的理论意义和应用价值。 为了解决交流异步牵引电机的非线性问题,实现线性化解耦控制,论文分析、推导并证明了MIMO连续、离散非线性系统及其广义逆系统的可逆条件和逆系统构造方法,为牵引电机线性化解耦的广义逆系统解析实现提供理论依据。 在分析牵引电机基于两相静止坐标系下5阶非线性状态空间等效模型可逆性的基础上,通过构造广义逆系统使用解析方法实现了牵引电机多变量输入输出的线性化解耦,并对逆解耦过程中的零动态进行了分析。针对牵引电机精确数学模型参数未知或广义逆系统的解析逆难以求取的情况,利用最小二乘支持向量机对复杂非线性函数的逼近能力,将其与广义逆系统相结合,提出了一种MIMO非线性系统的无状态反馈LS-SVM广义逆系统解耦方法,给出并证明了MIMO非线性系统LS-SVM广义逆系统存在性定理,通过仿真分析,所提出方法较一般的LS-SVM逆系统方法有更好的跟踪效果和精度。 在分析基于TCN的列车网络控制系统结构的基础上,通过将列车通信网络引入牵引控制系统,建立了存在不确定网络时延和有限能量未知扰动的网络化列车牵引控制系统离散化模型。 结合对网络化列车牵引控制系统的鲁棒控制结构的分析,分别建立了牵引逆变器和网络化列车牵引控制系统仿真模型,对传统控制策略下多变量间解耦控制效果和不确定时延对网络控制系统的影响进行了仿真分析。针对网络化列车牵引控制系统存在不确定网络时延和有限能量的未知扰动的情况提出并证明了一种输出反馈鲁棒H∞保性能网络控制策略。通过建立网络化列车牵引控制系统的鲁棒控制模型并进行仿真分析,结果表明输出反馈鲁棒H∞保性能网络控制策略能较好补偿不确定时延和扰动对牵引控制系统的影响,更好的满足网络环境下牵引电机高性能控制要求。


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