專利名稱：基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺的制作方法
技術領域：
本發明涉及模擬和/或實驗設備技術領域，具體地，涉及基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺。
背景技術：
目前，交流異步牽引電機，已經廣泛應用于中國CRH (China RailwaysHigh-speed，簡稱CRH，全名“中國高速鐵路”)系列的高速動車組。對大功率交流異步牽引電機的高性能調速控制，是高速動車組安全、可靠和穩定運行的重要保證。高速動車組交流異步牽引電機，具有空間分布性特點，要實現動車組牽引電機群的協同控制，必須通過列車網絡控制系統來實現。其關鍵問題是，如何利用線性系統領域的網絡控制分析方法，實現對異步牽引電機非線性控制。 但是，在現有的高速動車組牽引控制實驗平臺中，多采用轉子磁場定向矢量控制技術和直接轉矩控制技術，實現對牽引電機的驅動控制。沒有考慮引入網絡控制系統后對異步電機牽引控制系統的影響；并且，矢量控制對電機的參數依賴性很大，控制精度不高、動態性能較差；還有，直接轉矩控制增加了較大的脈動轉矩分量，沒有電流環，不能做電流保護，對定子參數依賴大。在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術中至少存在對電機及定子參數依賴性大、控制精度低、動態性能差與電流安全性差和沒有考慮引入網絡控制系統后對異步電機牽引控制系統的影響等缺陷。
發明內容
本發明的目的在于，針對上述問題，提出基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺，以實現對牽引電機的網絡化非線性控制方法驗證，以及減小電機調速控制時對定子參數依賴性、提高控制精度、改善動態性能與電流安全性。為實現上述目的，本發明采用的技術方案是基于通信控制網絡的高速動車組牽弓丨控制實驗平臺，包括給定控制信號輸入模塊、比較器、網絡控制器、偽線性復合系統、傳感器測量模塊、第一網絡延遲單元與第二網絡延遲單元，其中
所述給定信號輸入模塊，通過比較器與網絡控制器連接；網絡控制器輸出的異步牽引電機轉速和磁鏈控制信號，通過第一網絡延遲單元，連接至偽線性復合系統；
所述傳感器測量模塊的輸入端與偽線性復合系統連接，輸出端通過第二網絡延遲單元，連接至比較器。
進一步地，所述偽線性復合系統，即控制對象異步牽引電機線性模型，至少可以通過輸入-輸出反饋線性化解耦方法、電壓矢量解耦方法或逆系統解耦方法中的任意一種方法獲得。進一步地，所述偽線性復合系統，包括與第一網絡延遲模塊連接的異步牽引電機逆系統，以及與傳感器測量模塊連接的異步牽引電機；所述異步牽引電機的狀態反饋輸出端，與異步牽引電機逆系統的狀態反饋輸入端連接；該偽線性復合系統，由逆系統解耦方法獲得。所述網絡控制器，用于根據不同的控制策略和不同的異步牽引電機線性模型，獲得相應的電機轉速和磁鏈控制信號。進一步地，所述第一網絡延遲單元，包括依次連接在網絡控制器與異步牽引電機逆系統之間、且用于模擬網絡控制器與異步牽引電機之間網絡的第一網絡延遲模塊與第一零階保持器，所述第一網絡延遲模塊與第一零階保持器通過列車通信控制網絡連接。 進一步地，所述第二網絡延遲單元，包括依次連接在傳感器測量模塊與比較器之間、且用于模擬傳感器測量模塊與比較器之間網絡的第二網絡延遲模塊與第二零階保持器，所述第二網絡延遲模塊與第二零階保持器通過列車通信控制網絡連接。進一步地，所述通信控制網絡，至少包括列車通信控制網絡(TCN)、Lonworks, WorldFIP、CANopen 與 ARCnet 中的任意一種。進一步地，所述TCN，包括列車總線(WTB)和車輛總線(MVB)，其中
所述列車總線(WTB)，用于連接各車輛節點、數據采集站、設備站、以及司機控制站，并構成列車設備控制、監測與故障診斷的列車級網絡；
所述車輛總線(MVB)，用于連接車輛內的各種控制設備，并構成車廂級數據采集、控制的車輛級網絡。進一步地，所述車輛內的各種控制設備，至少包括配合設置的主控單元(MPU)、驅動顯示單元(DDU)、供電單元(PSU)、輔助控制單元(A⑶)、以及用于并行控制多個交流牽引電機的牽引控制單元(T⑶)。進一步地，所述列車總線為自組態式，SP
當列車編組改變時，列車總線自動重新構成，得到一個總線主節點，并自動指定各節點地址、位置及識別運行方向，所述各段MVB總線通過節點網關與列車總線連接。本發明各實施例的基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺，由于包括給定控制信號輸入模塊、比較器、網絡控制器、偽線性復合系統、傳感器測量模塊、第一網絡延遲單元與第二網絡延遲單元，其中給定信號輸入模塊，通過比較器與網絡控制器連接；網絡控制器輸出的異步牽引電機轉速和磁鏈控制信號，通過第一網絡延遲單元，連接至偽線性復合系統；所述傳感器測量模塊的輸入端與偽線性復合系統連接，輸出端通過第二網絡延遲單元，連接至比較器；給定控制信號和第二網絡延遲模塊獲得的傳感器測量模塊輸出信號，通過輸入比較器進行比較后送入網絡控制器進行運算，網絡控制器產生的異步牽引電機轉速和磁鏈控制信號通過第一網絡網絡延遲單元，作用于偽線性復合系統構成閉環反饋控制實驗平臺；通過調節異步牽引電機、網絡延遲和網絡控制器參數可以實現對不同牽引電機和不同網絡控制方法的仿真分析與模擬實驗；這樣，就可以將線性系統領域的網絡控制分析方法，用于對異步牽引電機非線性控制，為網絡化牽引電機非線性控制方法提供實驗平臺；從而可以克服現有技術中對牽引電機及其定子參數依賴性大、控制精度低、動態性能差與電流安全性差的缺陷，以實現減小電機調速控制時對定子參數的依賴性、提高控制精度、改善動態性能與電流安全性。本發明的技術方案，采用輸入-輸出反饋線性化解耦或逆系統解耦方法獲得異步牽引電機線性模型，并將其引入具有不確定延遲的列車網絡控制系統(如TCN)，因而可以用線性系統領域的網絡控制分析方法實現對異步牽引電機非線性控制。通過高速動車組牽引控制實驗平臺，有效驗證上述網絡化的列車牽引控制系統的控制方法，以實現對引入網絡控制系統后對異步電機牽引控制系統的的影響分析和牽引電機的網絡化非線性控制方法驗證。本發明的其它特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
附圖用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用于解釋本發明，并不構成對本發明的限制。在附圖中
圖I為根據本發明基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺的工作原理示意 圖2為根據本發明基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺中通信控制網絡(TCN)的結構示意 圖3為根據本發明基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺的操作流程示意圖。結合附圖，本發明實施例中附圖標記如下
I-列車總線節點連接器；2_交流牽引電機。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用于說明和解釋本發明，并不用于限定本發明。根據本發明實施例，如圖I-圖3所示，提供了基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺。如圖I所示，本實施例的基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺，包括給定控制信號輸入模塊、比較器、網絡控制器、偽線性復合系統、傳感器測量模塊、第一網絡延遲單元與第二網絡延遲單元，其中給定信號輸入模塊，通過比較器與網絡控制器連接；網絡控制器輸出的異步牽弓I電機轉速和磁鏈控制信號，通過第一網絡延遲單元，連接至偽線性復合系統；傳感器測量模塊的輸入端與偽線性復合系統連接，輸出端通過第二網絡延遲單元，連接至比較器。上述偽線性復合系統，即控制對象異步牽引電機線性模型，至少可以通過輸入-輸出反饋線性化解耦方法、電壓矢量解耦方法或逆系統解耦方法中的任意一種方法獲得。該逆系統解耦方法獲得的偽線性復合系統，包括與第一網絡延遲模塊連接的異步牽引電機逆系統，以及與傳感器測量模塊連接的異步牽引電機；所述異步牽引電機的狀態反饋輸出端，與異步牽引電機逆系統的狀態反饋輸入端連接。上述網絡控制器，可以用于根據不同的控制策略和不同的異步牽引電機線性模型，獲得相應的電機轉速和磁鏈控制信號。
上述第一網絡延遲單元，包括依次連接在網絡控制器與異步牽引電機逆系統之間、且用于模擬網絡控制器與異步牽引電機之間網絡的第一網絡延遲模塊與第一零階保持器，第一網絡延遲模塊與第一零階保持器通過列車通信控制網絡連接。第二網絡延遲單元，包括依次連接在傳感器測量模塊與比較器之間、且用于模擬傳感器測量模塊與比較器之間網絡的第二網絡延遲模塊與第二零階保持器，第二網絡延遲模塊與第二零階保持器通過列車通信控制網絡連接。上述通信控制網絡，至少包括列車通信控制網絡(TCN)、Lonworks、WorldFIP、CANopen與ARCnet中的任意一種；并可以通過相應的網絡延遲模塊和相應的零階保持器來模擬。如圖2所示，上述TCN，包括列車總線(WTB)和車輛總線(MVB)，通過列車總線上的節點連接器(如列車總線節點連接器I)依次連接的多個列車總線節點，通過每節車廂的車輛總線與車輛內的各種控制設備相連接。列車總線是自組態的，當列車編組改變時，列車總線自動重新構成，得到一個總線主節點，并自動指定各節點地址、位置及識別運行方向，各段MVB總線通過節點網關與列車總線連接。 具體地，上述每節車廂內的各種控制設備，至少包括分別通過車輛總線與列車總線節點連接的主控單元(MPU)、驅動顯示單元(DDU)、供電單元(PSU)、輔助控制單元(ACT)、以及用于控制每節動車多個交流牽引電機的牽引控制單元(TCU)。在上述實施例的基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺中，網絡化的高速動車組牽引控制實驗平臺除了可以使用基于國際標準IEC-61375的列車通信控制網絡(TCN),還可以使用Lonworks、WorldFIP、CANopen> ARCnet等列車通信控制網絡來實現；另外，交流異步牽引電機的解耦方法除了輸入-輸出反饋線性化和逆系統方法外，還可以使用電壓矢量解耦方法得到其線性化模型。在上述實施例中，基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺，針對如何利用線性系統領域的網絡控制分析方法實現對異步牽引電機非線性控制的關鍵問題，分別采用輸入-輸出反饋線性化方法和逆系統方法實現對異步牽引電機轉速和磁鏈的動態解耦；將線性化后的異步牽引電機模型引入具有不確定延遲的列車網絡控制系統(如TCN)，采用動態輸出反饋方法建立網絡化的異步牽引電機控制模型；運用LMI矩陣不等式方法給出反饋控制算法并設計網絡控制器，進而對網絡化控制策略進行驗證和仿真分析。參見圖3，使用上述實施例的基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺，對異步牽引電機網絡化控制進行驗證和模擬的具體操作包括
(I)采用輸入-輸出反饋線性化方法和逆系統方法，實現對異步牽引電機轉速和磁鏈的動態解率禹;
對異步牽引電機在靜止兩相坐標系(a，^軸)下的5階非線性狀態空間等效模型
_
其中向量f(x), ga t gb為
權利要求
1.基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺，其特征在于，包括給定控制信號輸入模塊、比較器、網絡控制器、偽線性復合系統、傳感器測量模塊、第一網絡延遲單元與第二網絡延遲單元，其中 所述給定信號輸入模塊，通過比較器與網絡控制器連接；網絡控制器輸出的異步牽引電機轉速和磁鏈控制信號，通過第一網絡延遲單元，連接至偽線性復合系統； 所述傳感器測量模塊的輸入端與偽線性復合系統連接，輸出端通過第二網絡延遲單元，連接至比較器。
2.根據權利要求I所述的基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺，其特征在于，所述偽線性復合系統，即控制對象異步牽引電機線性模型，至少可以通過輸入-輸出反饋線性化解耦方法、電壓矢量解耦方法或逆系統解耦方法中的任意一種方法獲得。
3.根據權利要求I或2所述的基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺，其特征在于，所述偽線性復合系統，包括與第一網絡延遲模塊連接的異步牽引電機逆系統，以及與傳感器測量模塊連接的異步牽引電機；所述異步牽引電機的狀態反饋輸出端，與異步牽引電機逆系統的狀態反饋輸入端連接；該偽線性復合系統，由逆系統解耦方法獲得。
4.根據權利要求I所述的基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺，其特征在于，所述第一網絡延遲單元，包括依次連接在網絡控制器與異步牽引電機逆系統之間、且用于模擬網絡控制器與異步牽引電機之間網絡的第一網絡延遲模塊與第一零階保持器，所述第一網絡延遲模塊與第一零階保持器通過列車通信控制網絡連接。
5.根據權利要求I所述的基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺，其特征在于，所述第二網絡延遲單元，包括依次連接在傳感器測量模塊與比較器之間、且用于模擬傳感器測量模塊與比較器之間網絡的第二網絡延遲模塊與第二零階保持器，所述第二網絡延遲模塊與第二零階保持器通過列車通信控制網絡連接。
6.根據權利要求4或5所述的基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺，其特征在于，所述通信控制網絡，至少包括列車通信控制網絡TCN、Lonworks, WorldFIP,CANopen與ARCnet中的任意一種。
7.根據權利要求6所述的基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺，其特征在于，所述TCN，包括列車總線WTB和車輛總線MVB，其中 所述列車總線WTB，用于連接各車輛節點、數據采集站、設備站、以及司機控制站，并構成列車設備控制、監測與故障診斷的列車級網絡； 所述車輛總線MVB，用于連接車輛內的各種控制設備，并構成車廂級數據采集、控制的車輛級網絡。
8.根據權利要求7所述的基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺，其特征在于，所述車輛內的各種控制設備，至少包括配合設置的主控單元MPU、驅動顯示單元DDU、供電單元PSU、輔助控制單元ACU、以及用于并行控制多個交流牽引電機的牽引控制單元TCU。
9.根據權利要求7所述的基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺，其特征在于，所述列車總線為自組態式，即 當列車編組改變時，列車總線自動重新構成，得到一個總線主節點，并自動指定各節點地址、位置及識別運行方向，所述各段MVB總線通過節點網關與列車總線連接。
全文摘要
本發明公開了基于通信控制網絡的高速動車組牽引控制實驗平臺，包括給定控制信號輸入模塊、比較器、網絡控制器、偽線性復合系統、傳感器測量模塊、第一網絡延遲單元與第二網絡延遲單元，其中給定信號輸入模塊，通過比較器與網絡控制器連接；網絡控制器輸出的異步牽引電機轉速和磁鏈控制信號，通過第一網絡延遲單元，連接至偽線性復合系統；傳感器測量模塊的輸入端與偽線性復合系統連接，輸出端通過第二網絡延遲單元，連接至比較器。本發明所述實驗平臺，可以實現對引入網絡控制系統后對異步電機牽引控制系統的影響分析和牽引電機的網絡化非線性控制方法驗證。
文檔編號G05B23/02GK102707709SQ20121017803
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月31日 優先權日2012年5月31日
發明者李欣, 李若瓊, 石磊, 董海鷹, 陳永剛, 陶彩霞 申請人:蘭州交通大學