一種實驗用弓網動態(tài)壓力精確加載裝置及控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于電氣化鐵路機車滑動電接觸技術領域，特別是涉及一種實驗用弓網動 態(tài)壓力精確加載裝置及控制方法。
【背景技術】
[0002] 弓網系統(tǒng)亦稱受電弓與接觸網系統(tǒng)，其是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的重要組成部 分，列車依靠受電弓滑板與接觸網導線之間的滑動接觸獲取動力，而受電弓滑板與接觸網 導線間的壓力作為影響動態(tài)受流的關鍵因素，且由于接觸網支柱和吊玄的作用，導致弓網 間壓力呈現(xiàn)波動變化。
[0003] 弓網壓力的波動變化，對受電弓滑板與接觸網導線間摩擦副的摩擦磨損特性、弓 網受流質量都具有重要的影響。因此，研究弓網壓力動態(tài)波動條件下的電流傳導與摩擦磨 損機理，對改善弓網系統(tǒng)的受流質量具有重要的指導意義，對豐富滑動電接觸理論也具有 重要意義。
[0004] 波動壓力的加載需要對音圈電機進行控制，盡管傳統(tǒng)的PID控制具有結構簡單、 輸出穩(wěn)定的特點，且被廣泛應用。但是，當存在模型不確定性及外界干擾的條件時，想要在 此條件下實現(xiàn)動態(tài)壓力的高速高精度跟蹤控制，簡單PID控制的跟蹤控制效果并不理想。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種實驗用弓網動態(tài)壓力精確加載裝置及 控制方法，能夠通過音圈電機的自適應滑膜控制加載動態(tài)壓力，并模擬鐵路弓網壓力的波 動，為研究弓網壓力動態(tài)波動條件下的電流傳導與摩擦磨損機理提供理想方案。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：一種實驗用弓網動態(tài)壓力精確加 載裝置，包括底座、主動滑臺、從動滑臺、驅動電機、音圈電機及受電弓滑板；在所述底座上 水平安裝有滑桿，在滑桿上套裝有第一滑塊和第二滑塊，所述主動滑臺安裝在第一滑塊上， 所述從動滑臺安裝在第二滑塊上；所述驅動電機安裝在底座一側立板上，驅動電機的電機 軸水平連接有一根絲杠，在絲杠上套裝有絲母，絲母固裝在主動滑臺的立板上；所述音圈電 機安裝在主動滑臺的立板上，在所述從動滑臺上安裝有壓力傳感器，壓力傳感器通過支架 立板設置在從動滑臺上，在壓力傳感器與音圈電機推桿之間連接有用于傳遞力的彈簧；所 述受電弓滑板通過導電螺栓固定安裝在主動滑臺的立板上，在導電螺栓上連接有導電線。
[0007] 在所述受電弓滑板與主動滑臺的立板之間、導電螺栓與主動滑臺的立板之間均設 置有絕緣層。
[0008] 采用所述的實驗用弓網動態(tài)壓力精確加載裝置的控制方法，包括如下步驟：
[0009] 步驟一：啟動驅動電機，通過驅動電機帶動絲杜轉動，并通過絲杜依次帶動絲母、 主動滑臺、音圈電機、彈簧、壓力傳感器、從動滑臺及受電弓滑板移動，直至受電弓滑板與接 觸網導線實現(xiàn)零壓力接觸；
[0010] 步驟二：建立以音圈電機的電壓為輸入、受電弓滑板與接觸網導線之間壓力為輸 出的動態(tài)模型，并以所建立的動態(tài)模型為被控對象；
[0011] 步驟三：在模型不確定性及外界干擾條件下，利用自適應滑模變結構控制算法跟 蹤動態(tài)壓力。
[0012] 步驟二中的動態(tài)模型是根據(jù)音圈電機回路模型方程及被控對象動力學方程建立 的，而被控對象動力學方程是根據(jù)牛頓第二定律建立的；
[0013] 所述的音圈電機回路模型方程為：
[0014]
[0015] 式中，ua為音圈電機電樞端電壓，ea為反電動勢，ia為音圈電機內部電流，Ra為音 圈電機電樞回路電阻，La為音圈電機電樞回路電感，F(xiàn)J%電磁力，B。為磁場強度，1為音圈 電機線圈導體每匝處在磁場中的平均有效長度，i為電流強度；
[0016] 所述的被控對象動力學方程為：
[0017]
[0018] 式中，q為受電弓滑板與接觸網導線之間壓力，Kx為彈簧彈力，f。為摩擦力及黏滯 力，^為電磁力，為負載阻力，Μ為負載質量，K為切換增益，X為彈簧變形量，匕為彈簧 阻尼系數(shù)。
[0019] 根據(jù)音圈電機回路模型方程和被控對象動力學方程建立的動態(tài)模型方程為：
[0020]
[0021]
[0022] 式中，q為受電弓滑板與接觸網導線之間壓力，u為音圈電機輸入電壓，Μ為負載質 量，Ra為電樞回路電阻，Κ為切換增益，Β。1為力常數(shù)，Β。為磁場強度，1為音圈電機線圈導 體每匝處在磁場中的平均有效長度，h為彈簧阻尼系數(shù)，f。為摩擦力及黏滯力，(12為干擾。
[0023] 步驟三中的自適應滑模變結構控制算法包含如下方程；
[0024] ①滑模面方程為：
[0025]
[0026] 其中，e=qd_q;
[0027] 式中，s為切換函數(shù)，e為壓力誤差，α，β為收斂指數(shù)且α，β> 〇,a,b為正奇 數(shù)，sgn( ·)為符號函數(shù)，qd為參考壓力，q為受電弓滑板與接觸網導線之間壓力；
[0028] ②終端滑?？刂坡煞匠虨椋?br>[0029]
[0030]
[0031]其中，
為模型不確定部分；
[0032]式中，U為音圈電機電樞端電壓，qd為參考壓力，q為受電弓滑板與接觸網導線之 間壓力，u為音圈電機電樞端電壓，Μ為負載質量，Ra為電樞回路電阻，K為切換增益，B。1為 力常數(shù)，B。為磁場強度，1為音圈電機線圈有效長度，h為彈簧阻尼系數(shù)，u。為補償控制器 輸出的補償電壓，AM，AC，ΔΚ為不確定部分，s為切換函數(shù)，e為壓力誤差，α，β為收斂 指數(shù)且α，β> 〇,a,b為正奇數(shù)，sgn( ·)為符號函數(shù)；
[0033]當u。=f時，則= 0 :
[0034] 由于模型不確定性及外界干擾未知，f無法直接計算，則采用RBF網絡生成u。以逼 近f，具體方程如下：
[0035]
[0036]
[0037]式中，u。為補償控制器輸出的補償電壓，Φ為RBF網絡徑向基，K為切換增益，sgn( ·)為符號函數(shù)，§為RBF網絡權值，e為壓力誤差，Γ為加權矩陣。
[0038] 本發(fā)明的有益效果：
[0039] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，能夠通過音圈電機的自適應滑膜控制加載動態(tài)壓力，并 模擬鐵路弓網壓力的波動，為研究弓網壓力動態(tài)波動條件下的電流傳導與摩擦磨損機理提 供理想方案；本發(fā)明還具有響應速度快、超調量小及抗干擾能力強的特點。
【附圖說明】
[0040] 圖1為本發(fā)明的一種實驗用弓網動態(tài)壓力精確加載裝置結構示意圖；
[0041] 圖2為首圈電機建_旲不意圖；
[0042] 圖3為被控對象建模示意圖；
[0043] 圖4為自適應滑模變結構控制原理圖；
[0044] 圖中，1 一底座，2-主動滑臺，3-從動滑臺，4一驅動電機，5-首圈電機，6-受電 弓滑板，7-滑桿，8-第一滑塊，9一第二滑塊，10-絲杠，11 一絲母，12-壓力傳感器，13- 彈黃，14-導電螺檢，15-導電線，16-支架立板，17-絕緣層，18-接觸網導線。
【具體實施方式】
[0045] 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0046] 如圖1所示，一種實驗用弓網動態(tài)壓力精確加載裝置，包括底座1、主動滑臺2、從 動滑臺3、驅動電機4、音圈電機5及受電弓滑板6 ;在所述底座1上水平安裝有滑桿7,在滑 桿7上套裝有第一滑塊8和第二滑塊9,所述主動滑臺2安裝在第一滑塊8上，所述從動滑 臺3安裝在第二滑塊9上；所述驅動電機4安裝在底座1 一側立板上，驅動電機4的電機軸 水平連接有一根絲杠10,在絲杠10上套裝有絲母11，絲母11固裝在主動滑臺2的立板上； 所述音圈電機5安裝在主動滑臺2的立板上，在所述從動滑臺3上安裝有壓力傳感器12,壓 力傳感器12通過支架立板16設置在從動滑臺3上，在壓力傳感器12與音圈電機5推桿之 間連接有用于傳遞力的彈簧13 ;所述受電弓滑板6通過導電螺栓14固定安裝在主動滑臺2 的立板上，在導電螺栓14上連接有導電線15。
[0047] 在所述受電弓滑板6與主動滑臺2的立板之間、導電螺栓14與主動滑臺2的立板 之間均設置有絕緣層17。
[0048] 采用所述的實驗用弓網動態(tài)壓力精確加載裝置的控制方法，包括如下步驟：
[0049] 步驟一：啟動驅動電機4,通過驅動電機4帶動絲杠10轉動，并通過絲杠10依次 帶動絲母11、主動滑臺2、音圈電機5、彈簧13、壓力傳感器12、從動滑臺3及受電弓滑板6 移動，直至受電弓滑板6與接觸網導線18實現(xiàn)零壓力接觸；
[0050] 步驟二：建立以音圈電機5的電壓為輸入、受電弓滑板6與接觸網導線18之間壓 力為輸出的動態(tài)模型，并以所建立的動態(tài)模型為被控對