基于观测器的动车组粘着系数估计
2022-10-22吴家仪汤梦姣
吴家仪,程 翔,汤梦姣
(湖南铁道职业技术学院,湖南 株洲 412000)
0 引言
动车组粘着的原理是:牵引电机产生驱动转矩,通过传动装置推动车轮转动;车轮的起动瞬间并不会产生滚动现象,而是以摩擦的形式向后挤压轨道;车轮与轨道之间产生了轻微的蠕变现象,铁轨施加给车轮的反作用力推动整车向前运动。
由粘着的原理可知,由于前进动力的根本是轮轨间的挤压形变与反作用力,根据摩擦原理可知,车轮与铁轨之间的摩擦力是有上限的,一旦超过这一上限,车轮将会发生打滑、空转和车轮擦伤。动车组的车速一般为200~300 km/h,而且轨道暴露在开放环境,极快的车速加上轨道表面意外覆盖物的影响,车轮极易发生打滑。同时,轮轨的粘着过程又是一个高度非线性的过程,粘着系数与蠕滑速度相关,蠕滑速度又与车体速度和车轮速度相关,各种耦合之间又交错不可测问题。因此,快速准确地估计粘着系数是一项比较有挑战性的研究。
滑模观测器因其鲁棒性好,收敛快,被广泛应用于各种工程领域。例如汪洪波等[1]针对车辆质心偏角估计的问题,构建了二阶滑模观测器,实现了质心偏角的准确估计。郑征等[2]针对无速度传感器的异步电机控制中滑模观测器的抖振问题,设计了一种利用分段函数进行切换的自适应滑模观测器,获得了较为准确的转速观测。本文研究了动车组动力学模型,结合滑模变结构理论,设计了一种快速滑模观测器。
1 动车组粘着数学模型
如图1所示,定义动车组输出转矩为Tm,车轮线速度为vd,定义车辆轴重为W,车轮与铁轨之间的粘着力为Fμ,车体速度为vt,车速和轮速的差值为蠕滑速度vs,车辆粘着性能高低用μ来表示[3]。
图1 粘着现象示意
车组的粘着系数和蠕滑速度的关系见式(1):
μ(vs)=ce-avs-de-bvs
(1)
动车组牵引电机方程为:
(2)
(3)
Fμ=μ(vs)Wg
(4)
(5)
vs=vd-vt
(6)
vd=ωdr
(7)
联立式(1)~(7)可得动车组轮对数学模型为:
(8)
根据牛顿运动定律,车体运动方程如式(9)~(10)所示:
(9)
(10)
其中,Jm为电机转动惯量(kg·m2);Rg为齿轮传动比;ωm为电机角速度(rad/s);vd为轮对速度(m/s);ωd为轮对角速度(rad/s);Tm为电机转矩(N·m);TL为负载转矩(N·m);Fμ为机车粘着力;r为轮对半径(m);W为列车轴重(kg)。M为整车重量(kg);Fμ为牵引电机产生的总牵引力(N);vt为机车速度(m/s);Fd为运行阻力(N);l、m、n为阻力系数;TL为负载转矩Fμ为粘着力;r为轮对半径;Rg是齿轮箱的传动比。
2 粘着系数观测器设计
2.1 滑模观测器设计
在动车组数学模型中,ωm是可以测量的,负载转矩TL是未知量,选择其作为状态变量,构建如下状态空间方程[4]:
(11)
(12)
针对式(12)构造如下滑模观测器,其中k为待设计的正常数:
(13)
(14)
上式中,v为控制项,设计积分滑模面如下:
(15)
为保障观测器快速收敛以及时观测粘着异常,采用指数趋近率:
(16)
设计观测器的控制项为:
(17)
取Lyapunov方程为:
(18)
对式(26)求导可得:
(19)
证明所设计的积分滑模观测器满足Lyapunov稳定条件,可以用于粘着状态检测。
2.2 龙伯格观测器设计
本文对比试验采用的龙伯格观测器设计如下:
(20)
λ2-(p1+p2)λ+p1p2=0
(21)
A-LC的特征值方程为:
λ2+L1λ-L2Jm=0
(22)
联立(21)、(22)式可得:
(23)
进一步求解,可得负载转矩的观测值:
(24)
结合式(3)可得,粘着系数观测值为:
(25)
3 仿真验证
将本文所设计的积分滑模观测器与龙伯格观测器进行动态性能对比,具体是每隔5 s从A、B、C切换一种路况,车辆仿真参数如表1所示,路况参数如表2所示。
表1 仿真参数
表2 路况参数
由图2和图3的对比可以看出,在第5秒和第10秒这2个路况的跳变点处,龙伯格观测器很难精确估计实际值,而滑模观测器几乎可以精确的追踪跳变,实现了观测值与实际值的精确跟踪。
图2 滑模观测器仿真结果
图3 龙伯格观测器仿真结果
4 结语
文章提出了一种基于趋近律的动车组粘着系数滑模观测器估计方法,在分析动车组的学模型后,研究了粘着系数的观测方法,设计了滑模观测器开展了仿真研究,文章所设计的滑模观测器比传统的全维状态观测器更加精确,针对粘着条件跳变的工况也能及时准确地跟踪,适用于动车组的粘着系数估计。