引用本文

戚壮, 张文莲, 王美琪, 刘鹏飞, 刘永强. 分数阶PID扭矩控制在边驱耦合轻轨车辆的应用研究. 自动化学报, 2020, 46(3): 482−494 doi: 10.16383/j.aas.c190084

Qi Zhuang, Zhang Wen-Lian, Wang Mei-Qi, Liu Peng-Fei, Liu Yong-Qiang. Study for the application of fractional order PID torque control in side-drive coupled tram. Acta Automatica Sinica, 2020, 46(3): 482−494 doi: 10.16383/j.aas.c190084

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c190084

关键词

独立轮对，分数阶PID控制器，低地板轻轨车，车辆动力学 

摘要

边驱耦合独立轮对(Independently rotating wheelset, IRW)技术是 100 %低地板轻轨车(Low floor tram, LFT)的关键技术之一, 边驱电机的扭矩控制策略直接影响轻轨车的动力学性能. 本文基于5自由度独立轮对的轨行机理, 搭建了考虑边驱传动系统的单节轻轨车动力学模型. 应用了一种分数阶PID (Fractional order PID, FOPID)扭矩控制策略, 优化了车辆的曲线通过性能. 采用Riemann-Liouville (RL) 分数阶微积分理论及Oustaloup滤波器数值逼近法构成FOPID控制器, 通过寻优运算对FOPID参数进行整定, 在Simulink平台下建立了整车的集成控制系统.通过扭矩控制器与整车动力学模型s函数联合仿真的方式,开展了100 % 低地板轻轨车辆的直线与曲线运行特性研究, 并将计算结果与无控制的独立轮对模型、传统轮对模型进行了对比分析. 研究结果表明, 在直线运行下, FOPID控制下的轻轨车能够提高车辆的稳定性, 受控轮对的抗轨道不平顺激扰能力较强. 在大半径曲线下, 无控制的独立轮对曲线通过性较差, 而受分数阶PID控制的独立轮对能够表现出与传统轮对一样优异的曲线通过性能; 在小半径曲线下, 分数阶PID扭矩控制策略能够使轻轨车获得足够的导向力, 曲线通过性能明显优于其他模型.

文章导读

为了解决日益拥堵的城市交通问题, 地铁、轻轨, 磁悬浮等城市轨道交通系统得到了日新月异的发展. 相对于地铁成本高、周期长、抗灾害性差等缺点, 轻轨系统具有灵活便捷、运量适中、美观环保等优势, 是一种有效的城市通勤方案[1]. 近年来, 欧美各大城市已将轻轨系统作为城市交通的重要组成部分, 甚至很多城市将自己特有的轻轨车作为城市名片进行宣传[2,3], 而我国则将发展重点放在了地铁上, 轻轨交通的应用范围不广, 轻轨车辆的研发力度不足.

作为轻轨系统广泛采用的运输载体, 边驱耦合100 %低地板轻轨车以其载客量大、曲线通过性好、乘降便捷而备受青睐. 区别于传统的轮对系统, 100 %低地板车普遍采用独立轮对(Independently rotating wheel, IRW), 以降低整车地板面高度[4]. 边驱耦合是独立轮对的牵引特点, 即将左右两侧的前后两个车轮分别作为一个牵引单元, 由转向架两侧的电机提供驱动扭矩[5]. 边驱耦合转向架的牵引形式及其特殊的动力学特性, 长期成为国内外学者研究的焦点. 文献[6-10]探讨了独立旋转车轮的耦合方式及转向架的自对中与自导向能力. 文献[11-12]建立了双轴独立轮对转向架的多体动力学模型, 指出独立轮对即使在直线上也会出现轮缘连续接触的现象, 在轻轨车通过小半径曲线时该现象会更严重. 文献[13]基于独立轮对的静态导向特征, 通过轮轨接触约束下的重心轨迹提出了一种新的车轮踏面设计方法, 根据在Simpack 下的动力学数值计算结果, 指出优化后的横向复原力可正比于横向位移. 文献[14] 开展了时速80 km/h以上、通过最小曲线半径为25 m 的低地板车辆转向架的设计工作, 通过设计试验优化了主动导向所需的半主动悬挂参数, 将低地板车运行品质提高了约7 %.

根据轮轨蠕滑理论[15], 独立轮对在无牵引力的状态下是没有纵向蠕滑导向力的, 这将导致车辆的曲线通过能力变差[16]. 近年来, 随着控制技术的发展, 国内外学者开始研究如何通过控制牵引电机的输出扭矩来提高独立轮对的导向能力, 进而达到优化低地板车通过曲线时动态性能的目的. 文献[17]针对低地板车通过小半径曲线的工况, 对横向位移复原力控制开展了研究, 并在缩尺模型上验证了控制方法的可行性. 文献[18-19]以车轮相对转速、轨道曲率以及轮对摇头角作为反馈信号, 同时采用了一种鲁棒主动导向控制器来提高独立轮对的导向能力, 通过Simpack与MATLAB联合仿真, 验证了该控制器能够同时提高车辆的运行性能, 并显著降低车辆在直线与曲线上的轮轨磨耗. 文献[20]指出, 独立轮对需要比传统轮对响应更快、精度更高的牵引控制策略, 设计并建立了一种准半闭环的时隙结构模型, 进而提高转向架的复原扭矩控制性能. 文献[21-22]以轮毂永磁同步电机为研究对象, 基于左右车轮的转速差反馈, 研究了独立旋转车轮的扭矩脉动效应并得到了主动导向控制的边界条件, 同时优化了车轮踏面. 文献[23]针对轻轨车辆普遍采用的内部永磁同步电机, 设计了一种鲁棒控制策略, 并提出了一种开环测试方法以验证扭矩控制性能.

作为对可靠性要求极高的公共交通系统, 100 %低地板轻轨车适合采用技术最成熟、应用最广泛的PID控制方法[24]. 分数阶微积分运算具有记忆特性, 且可使控制器设计方法更加灵活, 将分数阶计算与控制器参数整定相结合, 是目前十分活跃的研究方向[25-26]. 本文尝试将分数阶PID控制方法应用于100 %低地板轻轨车的扭矩控制中, 并分析车辆在控制系统作用下的动态特性.

图 1  独立轮对受力

图 2  单节车动力学拓扑结构

图 3  单节车动力学模型

本研究建立了考虑边驱传动系统的100%低地板车的动力学模型, 通过Oustaloup滤波器实现了分数阶微积分计算的数值逼近, 并采用双循环流程对分数阶PID参数进行了整定. 将车辆动力学模型与控制器模型通过s函数的方式进行联合仿真, 对比分析了三类低地板车模型的动力学特性, 主要得到以下结论:

1)分数阶PID控制下独立轮对的临界速度介于独立轮对和传统轮对之间, 在55～70 m/s速度区间时控制器会出现失稳, 导致轮对的小幅振荡, 而车速 ≥ 75 m/s时, 轻轨车会发生蛇行运动.

2)在轨道不平顺激扰下, 有无控制的独立轮对会表现出较一致的动态特性, 各项动力学指标均优于传统轮对.

3)由左右车轮的转速差反馈与线路信息相结合, 在分数阶PID扭矩控制策略下能够实现独立轮对轻轨车通过曲线的性能优化, 时域响应的计算结果表明受分数阶PID 控制的轻轨车能够顺利通过小半径曲线.

4)在大半径曲线下, 受控独立轮对能够表现出与传统轮对一样优异的曲线通过性能, 在小半径曲线下, 受控独立轮对能够获得足够的导向力, 曲线通过性能优于不受控的独立轮对与传统轮对.

作者简介

戚壮

博士, 讲师, 本科和博士期间就读于西南交通大学, 并于法国里昂中央理工大学获硕士学位, 现任石家庄铁道大学车辆工程系主任. 长期从事高速列车动力学、城轨车辆动力学及刚柔耦合动力学研究, 目前主持及参与国家级、省部级及横向课题共计10余项. 本文通信作者. E-mail: qizhuang@stdu.edu.cn

张文莲

石家庄铁道大学电气与电子工程学院助教. 获西安交通大学硕士学位. 主要研究方向为电子科学与技术, 超大规模集成电路设计. E-mail: wl_zhang@stdu.deu.cn

王美琪

石家庄铁道大学机械工程学院讲师, 现任机械电子工程系主任. 获燕山大学学士学位与博士学位. 主要研究方向为非线性动力学, 重载列车纵向动力学及神经网络算法. E-mail: wangmeiqi@stdu.edu.cn

刘鹏飞

石家庄铁道大学车辆工程系副教授. 主要研究方向为列车纵向动力学及车辆 − 轨道耦合动力学. E-mail: pfliu@stdu.edu.cn

刘永强

石家庄铁道大学教授. 主要研究方向为车辆动力学与控制, 旋转机械故障诊断. E-mail: liuyq@stdu.edu.cn