受電弓最優(yōu)主動(dòng)控制仿真研究答辯

XX大學(xué)XX學(xué)院

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯

.畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：

受電弓最優(yōu)主動(dòng)控制仿真研究.目錄1、緒論2、弓網(wǎng)系統(tǒng)建模3、弓網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)主動(dòng)控制研究4、控制策略的仿真研究5、展望6、致謝.

研究目的：受電弓進(jìn)行建模分析，利用最優(yōu)控制策略，對(duì)受電弓進(jìn)行主動(dòng)控制，從而降低弓網(wǎng)接觸力波動(dòng)程度，減少弓網(wǎng)離線率，提高弓網(wǎng)受流質(zhì)量。

1、緒論

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研究意義：本課題旨在不改變接觸懸掛本身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的前提條件下，通過受電弓性能的優(yōu)化，為改善弓網(wǎng)關(guān)系提供了一條有效途徑。良好的弓網(wǎng)關(guān)系是高速電氣化鐵路穩(wěn)定、可靠運(yùn)營的基本保障。受電弓與接觸網(wǎng)良好的接觸特性是弓網(wǎng)關(guān)系中接觸懸掛向列車傳遞可靠電能的先決條件。.

受電弓和接觸網(wǎng)視為一個(gè)通過彈簧元件耦合在一起的整體來考慮。

接觸網(wǎng)時(shí)變剛度模型簡化為受電弓幾個(gè)具有集中

質(zhì)量的結(jié)構(gòu)模型動(dòng)能等效原理2、弓網(wǎng)系統(tǒng)建模

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本研究選用的接觸網(wǎng)類型為簡單鏈形懸掛接觸網(wǎng)。

由于引起弓網(wǎng)振動(dòng)的主要因素是接觸網(wǎng)剛度在跨距內(nèi)變化，且與接觸網(wǎng)類型、列車運(yùn)行速度、接觸線剛度及密度都有關(guān)系。接觸網(wǎng)的時(shí)變剛度公式為：

2、弓網(wǎng)系統(tǒng)建模

為機(jī)車速度，為接觸網(wǎng)跨距內(nèi)的距離，為跨距內(nèi)的平均剛度，為接觸網(wǎng)剛度差異系數(shù)，與接觸網(wǎng)類型有關(guān)。且：.m3m1m2K(t)K1C1C2z4z1z2弓網(wǎng)系統(tǒng)等效模型z3F0m4m1m2m3K(t)K1K2K3C1C2C3z4z1z2z3zr弓頭框架上框架下框架.弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程（二元質(zhì)量塊模型）：

u為控制力，在被動(dòng)模型中其值為0，該模型中只有靜抬升力的輸入。即：將上述微分方程轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間方程.三元質(zhì)量塊模型：在被動(dòng)模型中，控制力u為0，該模型中只有靜抬升力的輸入。即：將上述微分方程轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間方程：.狀態(tài)空間方程為一個(gè)齊次微分方程組，利用MATLAB中ode45函數(shù)可以對(duì)方程組進(jìn)行編程得出該方程組的解，繼而可以得到被動(dòng)控制下的接觸力的波形如下：二元質(zhì)量塊模型被動(dòng)控制下弓網(wǎng)接觸壓力波形（只含擾動(dòng)項(xiàng)，不含噪聲項(xiàng)）二元質(zhì)量塊模型被動(dòng)控制下弓網(wǎng)接觸壓力波形（既含擾動(dòng)項(xiàng)，也含噪聲項(xiàng)）.三元質(zhì)量塊模型被動(dòng)控制下弓網(wǎng)接觸壓力波形（只含擾動(dòng)項(xiàng)，不含噪聲項(xiàng)）三元質(zhì)量塊模型被動(dòng)控制下弓網(wǎng)接觸壓力波形（既含擾動(dòng)項(xiàng)，也含噪聲項(xiàng)）.說明：論文中所采用的噪聲項(xiàng)由“normrnd（0,1,1）”語句產(chǎn)生的高斯噪聲，每次仿真過程中均會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，二元質(zhì)量塊模型和三元質(zhì)量快模型的噪聲項(xiàng)均相同。仿真時(shí)取列車的運(yùn)行速度為200km/h，跨距為65m。二元質(zhì)量塊模型中的擾動(dòng)項(xiàng)三元質(zhì)量塊模型中的擾動(dòng)項(xiàng).3、弓網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)主動(dòng)控制研究控制的目標(biāo):使系統(tǒng)誤差和控制能量最小化本論文的最優(yōu)控制是線性二次型最優(yōu)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)（LQR)問題。對(duì)于此類控制就是要確定一個(gè)狀態(tài)反饋?zhàn)兞浚阂剐阅苤笜?biāo)最小.通過構(gòu)造函數(shù)得到求解K,首先構(gòu)造一Hamilton函數(shù)：對(duì)Hamilton函數(shù)求導(dǎo)，并使導(dǎo)數(shù)為0：從上式可解得最優(yōu)控制力

且：為對(duì)稱矩陣，該矩陣滿足下面著名的Riccati微分方程：.

根據(jù)控制的要求，把弓頭位移變化放在首位，將控制能量的關(guān)注度處于次要位置，由此確定

Q與

R的值。利用MATLAB，求解反饋支路中的增益矩陣：二元質(zhì)量塊模型三元質(zhì)量塊模型.二元質(zhì)量塊模型受電弓主動(dòng)控制與被動(dòng)控制的仿真結(jié)果比較（只含擾動(dòng)項(xiàng)，不含噪聲項(xiàng)）二元質(zhì)量塊模型受電弓主動(dòng)控制與被動(dòng)控制的仿真結(jié)果比較（只含擾動(dòng)項(xiàng)，含噪聲項(xiàng)）.

評(píng)價(jià)指標(biāo)被動(dòng)系統(tǒng)主動(dòng)系統(tǒng)改善情況平均值99.9457100.5113基本相等

最大值169.3367150.2981降低19.0386最小值40.022348.2954提高8.2731

波動(dòng)范圍129.3114102.0027降低27.3087

均方根值32.710820.4541降低12.2567結(jié)論：二元質(zhì)量塊模型在最優(yōu)主動(dòng)控制下能降低弓網(wǎng)接觸

壓力的波動(dòng)程度，提高弓網(wǎng)系統(tǒng)的受流質(zhì)量。受電弓主動(dòng)控制與被動(dòng)控制下弓網(wǎng)接觸壓力數(shù)據(jù).三元質(zhì)量塊模型受電弓主動(dòng)控制與被動(dòng)控制的仿真結(jié)果比較（只含擾動(dòng)項(xiàng)，不含噪聲項(xiàng)）三元質(zhì)量塊模型受電弓主動(dòng)控制與被動(dòng)控制的仿真結(jié)果比較（只含擾動(dòng)項(xiàng)，含噪聲項(xiàng)）.

評(píng)價(jià)指標(biāo)被動(dòng)系統(tǒng)主動(dòng)系統(tǒng)改善情況

平均值100.8114100.0352基本相等

最大值167.3098146.8396降低20.4702

最小值42.942853.8987提高10.9559

波動(dòng)范圍124.36792.9409降低31.4261

均方根值30.423917.7823降低12.6416

受電弓主動(dòng)控制與被動(dòng)控制下弓網(wǎng)接觸壓力數(shù)據(jù)結(jié)論：三元質(zhì)量塊模型在最優(yōu)主動(dòng)控制下能降低弓網(wǎng)接觸

壓力的波動(dòng)程度，提高弓網(wǎng)系統(tǒng)的受流質(zhì)量。.DSA250型受電弓二元質(zhì)量塊和三元質(zhì)量塊主動(dòng)控制仿真數(shù)據(jù)比較（含擾動(dòng)項(xiàng)、噪聲項(xiàng)）：

評(píng)價(jià)指標(biāo)二元質(zhì)量塊三元質(zhì)量塊

平均值100.5113100.0352

最大值158.2981146.8396

最小值48.295453.8987

波動(dòng)范圍110.002792.9409

均方根值20.454117.7823

評(píng)價(jià)指標(biāo)二元質(zhì)量塊三元質(zhì)量塊

平均值99.9457100.8114

最大值169.3367167.3098

最小值40.022342.9428

波動(dòng)范圍129.3114124.367

均方根值32.710830.4239

DSA250型受電弓二元質(zhì)量塊和三元質(zhì)量塊主動(dòng)控制仿真數(shù)據(jù)比較（含擾動(dòng)項(xiàng)、噪聲項(xiàng)）：結(jié)論：在同樣的外部環(huán)境、同樣的受電弓類型及同樣的控制條件下，受電弓三元質(zhì)量塊模型的仿真結(jié)果略優(yōu)于受電弓二元質(zhì)量塊模型，但效果相差不明顯。.5、展望（1）可以建立受電弓四元質(zhì)量塊模型進(jìn)行試驗(yàn)，繼而再與二元質(zhì)量塊模型與三元質(zhì)量塊模型的仿真結(jié)果進(jìn)行比較。（2）在主動(dòng)控制方面，可以嘗試建立基于LMI線性矩陣不等式的最優(yōu)主動(dòng)控制策略，同時(shí)還可以建立模糊主動(dòng)控制策略