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时间:2019-01-09
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1、高速动车组恒速控制逻辑分析及优化策略 摘要:目前在线运营的CRH2型动车组恒速控制逻辑普遍使用双滞环策略,其控制功能基本可以满足平直道恒速±3km/h运行目标,但若遇到大坡道、恶劣天气等状况,则很难满足控制需求,本文根据其实际运行效果分析其特性,提出了进一步优化的控制策略。 关键词:恒速;双滞环;优化;逻辑 0引言 CRH2型动车组已在全国范围内广泛运营,其核心部件牵引变流器主电路采用三电平整流器、三电平逆变器,牵引电机为三相感应电动机。恒速控制可以有效地减轻列车运行中司机的重复、繁琐地驾驶操作任务,且有效的恒速控制有利于列车运行准点率。目前动车组采用的恒速控制策略有PID控制、双滞环
2、控制[1]等,本文针对CRH2型动车组双滞环控制逻辑进行分析,并对其不足进行补充优化。而PID控制器由于其参数整定难以实现通过理论计算直接应用于实际工程,必须在列车实际运行过程中进行修订,且PID调节的力矩输出变化太快,不利于列车乘坐舒适度、全列同步等需求,本文不涉及。 1CRH2型动车组恒速控制分析 CRH2型动车组恒速控制逻辑使用双滞环策略: a.牵引变流器控制装置接收来自网络的恒速运行指令时,将当前时刻的列车速度设定为恒速控制目标速度。6 b.控制装置实时采集列车速度,将列车实时速度与目标速度的偏差作为转矩调节依据。 c.当目标速度超过列车实时速度1km/h时,牵引变流器启动整
3、流、逆变门极,进入牵引运行模式,并根据速度偏差实时调节牵引转矩输出,当速度偏差等于0时,牵引变流器进入惰行模式,并关断整流、逆变门极; d.当列车实时速度超过目标速度3km/h时,牵引变流器启动整流、逆变门极,进入再生制动运行模式,并根据速度偏差实时调节制动转矩输出,当速度偏差小于等于2km/h时,牵引变流器进入惰行模式,并关断整流、逆变门极; e.由于速度采样精度、数据传输延时等因素,为避免各节动车同时存在牵引、再生制动工况,恒速控制设置了速度偏差一定范围内惰行运行逻辑; f.转矩设定与速度偏差成线性关系,速度偏差越大,转矩相应增大。如下图所示[2]: 双滞环控制原理简单,软件易于实
4、现,但存在大上坡牵引不足、转矩扰动频繁导致牵引变流器主回路电压波动、低速大下坡制动不足等问题。 2双滞环控制优化 1)引入风阻曲线、坡道阻力计算 既有控制策略的转矩设定仅根据速度偏差进行线性计算,缺乏对列车系统性的受力模型分析。对列车进行受力分析如下[3]: 忽略列车内部摩擦损耗及其他机械损耗,列车受力模式为: Tf=Tmotor+TM+Twind6 Tmotor为电机转矩,牵引时为正数,制动时为负数;TM为重力分量,下坡时为正数,上坡时为负数;Twind为风阻,负数;Tf为列车最终受力总和。 由上式可知,恒速控制的根本目的为,当实时速度高于目标速度时,施加制动力,克服下坡重力分
5、量降低或维持车速,当实时速度低于目标速度时,施加牵引力,克服上坡重力分量及风阻提高或维持车速。所以在既有恒速控制力矩计算中引入风阻曲线、坡道重力分量,得到更准确的力矩输出。 风阻计算如下: Twind=(3.26+0.0386*Vvehicle+0.001203*Vvehicle2)*M Vvehicle为列车实时速度;M为列车载荷(出去旋转惯量); 坡道重力分量为: TM=M*g*Sinα g为当地重力加速度;α为线路坡道角度; 通过设定目标加速度a,即可近似得出恒速控制时,力矩设定值为: Tmotor=M*a-TM+Twind 2)调整基准速度步长 恒速控制中使用的偏差
6、速度固定为精确度为0.1km/h,由于实际运行中存在速度传感器采样精度、信号传输延时、速度脉冲解码偏差等因素,速度信号本身细微波动剧烈,在稳态运行中,通常存在±60.3km/h范围内速度扰动,恒速控制中,此种现象导致的就是力矩计算值频繁扰动,从而影响列车运行舒适度、牵引变流器中间主回路直流电压波动等问题,因而对恒速控制中的力矩给定与速度偏差曲线的计算中,引入速度偏差计算步长调节,降低力矩扰动频率及幅度,从而改善乘车舒适度及系统稳定性。如下式: Vdiff0=abs(Vvehicle?CVset) Vdiff1=Vdiff0modVbase Vdiff=Vdiff0-Vdiff1 Vdi
7、ff0为计算的实时速度偏差值;Vdiff1为实时速度偏差值模数基准速度的余数;Vdiff为计算力矩给定用的速度偏差值;Vset为恒速控制目标速度值;Vbase为计算力矩给定的基准速度精度,可调节,此值越大,则力矩给定变化越平稳,可根据实际运行效果调整。 3)全程维持整流器、逆变器门极启动 恒速运行中列车会在牵引、再生制动、惰行工况反复切换,而既有控制逻辑设定为惰行时,关断整流、逆变器门极,当恒
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