[发明专利]一种针对列车执行器故障的复合控制方法

摘要

本发明公开了一种针对列车执行器故障的复合控制方法，包括如下步骤S1、对列车纵向运动进行受力分析，建立列车的纵向运动动力方程；S2、根据列车纵向运动动力方程，建立列车纵向运动状态空间方程；S3、根据执行器故障和列车纵向运动状态空间方程，建立执行器故障情况下的列车纵向运动状态空间方程；S4、根据执行器故障情况下的列车状态空间方程，利用基于扰动的观测器和控制器，建立列车闭环动态方程；S5、通过线性矩阵不等式得到列车执行器故障的复合控制方法中的观测器增益和控制器增益，进而利用基于扰动的观测器和控制器方程控制列车的实际位移和速度趋近期望的位移和速度。本发明解决了斜坡扰动、阵风扰动和执行器故障对列车的影响。

主权项

一种针对列车执行器故障的复合控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1、对列车纵向运动进行受力分析，建立列车的纵向运动动力方程，其中，mi是列车第i节车厢的实际质量，i＝1，2，...，n；k是连接相邻两节车厢的车钩的弹性系数；t∈[0，T′]，T′是列车的运行时间；Xi(t)是列车第i节车厢从0至t时刻的实际位移；是列车第i节车厢t时刻的实际速度，是列车第i节车厢t时刻的实际加速度；ui(t)是列车第i节车厢t时刻的实际控制力；co、cv和ca是戴维斯系数；ψi(t)＝migsin(θi(t))是列车第i节车厢t时刻的斜坡阻力，g表示重力加速度；θi(t)代表第i节车厢的坡度角；sin(·)为正弦函数；是t时刻作用在第i节车厢上的阵风阻力；S2、根据列车纵向运动动力方程，建立列车纵向运动状态空间方程，S2.1、设定列车第i节车厢期望的位移、速度和加速度分别为和，定义x1e(t)=x2e(t)=...=xne(t),x·e1(t)=x·e2(t)=...=x·en(t)=v0,]]>x··e1(t)=x··e2(t)=...=x··en(t)=0,x~i(t)=xi(t)-xie(t),x~·i(t)=x·i(t)-x·ie(t);,x~··i(t)=x··i(t)-x··ie(t);]]>结合所述列车的纵向运动动力方程，得到列车各车厢期望的控制力如下：u1e(t)=com1+cvv0m1+cav02(Σi=1nmi)+ψ1e(t)uie(t)=comi+cvv0mi+ψie(t),i=2,...,n]]>其中，mi是列车第i节车厢的实际质量，i＝1，2，...，n；是期望的控制力；co、cv和ca是戴维斯系数；是在期望的位置上列车第i节车厢所受的坡度阻力；S2.2、定义忽略高阶项得到如下列车纵向运动线性空间方程：ξ·(t)=Aξ(t)+Bu(t)+Bd1(t)-Bd2(t)]]>其中，ξ(t)=x~1(t)...x~n(t)x~·1(t)...x~·n(t)T,]]>d2(t)=[ψ~1(t)...ψ~n(t)]T,]]>u(t)=[u~1(t)...u~n(t)]T;]]>参数A和B的定义分别如下：代表实矩阵；S3、根据执行器故障和列车纵向运动状态空间方程，建立执行器故障情况下的列车纵向运动状态空间方程，所述执行器故障情况下的列车纵向运动状态空间方程为：ξ·(t)=Aξ(t)+Bfu(t)+Bd1(t)-Bd2(t)]]>其中，参数Bf＝BLf，表示执行器故障参数，并满足0≤λi≤1；S4、根据执行器故障情况下的列车状态空间方程，利用基于扰动的观测器和控制器，建立列车闭环动态方程，S4.1、建立如下阵风模型的状态表达式：d1(t)=L1w(t)+L4w·(t)=(W+ΔW(t))w(t)]]>其中，W是阵风的频率矩阵，且为已知的阵风频率值；L1和L4是阵风的幅度矩阵；ΔW(t)代表阵风的变频特性矩阵，w(t)为阵风模型的状态表达式中的状态变量；S4.2、设定(A，Bf)可控，(W+ΔW(t)，BL1)可观，结合阵风模型，设计如下基于扰动的观测器：d^1(t)=L1w^(t)+L4w~(t)=v(t)-L2ξ(t)v·(t)=(W+ΔW(t)+L2BL1)w^(t)+L2BL4+L2(Aξ(t)+Bfu(t))]]>其中，和分别是d1(t)和w(t)的估计值，参数L4已知，未知参数L2是基于扰动的观测器增益；定义误差项和和基于扰动的观测器误差为：d1(t)=L1w^(t)w~·(t)=(W+ΔW(t)+L2BL1)w^(t)-L2Bd2(t)]]>S4.3、设计控制器如下：u(t)=Nuξ(t)-Lf-1d^1(t))]]>其中，未知参数Nu代表控制器增益；S4.4、根据基于扰动的观测器误差和控制器，建立如下列车闭环动态方程：ξ·(t)=(A+BfNu)ξ(t)+BL1w~(t)-Bd2(t);]]>S5、通过线性矩阵不等式得到列车执行器故障的复合控制方法中的观测器增益和控制器增益，进而利用基于扰动的观测器和控制器方程控制列车的实际位移和速度趋近期望的位移和速度。