[发明专利]一种高速受电弓多目标有限频域控制器设计方法

摘要

本发明公开了一种高速受电弓多目标有限频域控制器设计方法，包括以下步骤：建立弓网系统非线性模型和状态空间模型；通过功率谱密度分析接触力波动的频域特性，确定其主导频率；建立面向控制的弓网模型，确立控制目标，进而设计控制器，计算控制增益矩阵；建立面向估计的弓网模型，考虑噪声统计未知或时变的估计器设计。本发明设计的控制器利用了接触力波动的频域特性，提高了控制性能，估计器的应用和对控制力大小的限制，提高了工程实用性。

主权项

1.一种高速受电弓多目标有限频域控制器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立受电弓‑接触网系统的数学模型，包括接触网的非线性有限元数学模型、三自由度受电弓模型；步骤2：获得接触力波动的先验信息，通过功率谱密度分析接触力波动的频域特性，分析其频率成分及主导频率；步骤3：设计多目标有限频域控制器，具体为：步骤3.1：控制目标的确立；减小实时接触力与参考值之间的差值：e(t)＝F_r‑F(t)，式中：e(t)为实时接触力F(t)与参考接触力F_r之间的差值；将主动控制力限制在合理范围内：|u(t)|≤u_max，式中：u_max为允许的最大控制力；步骤3.2：建立面向控制的弓网系统模型；将接触力的跟踪误差作为状态变量，增广至简化的状态空间模型，根据控制目标设置系统输出，建立面向控制的弓网系统模型：式中：A、B₁、B₂、C₁为系统状态控制空间方程的系数矩阵；步骤3.3：设计多目标控制器；给定标量γ，η和ρ，若存在正定矩阵Q，P，H和普通矩阵F满足下列线性矩阵不等式组其中：M₂₂＝M₁₁,M₁₂＝‑M₂₁，则状态反馈增益矩阵表示为：K＝QP^‑1；式中：‘*’表示矩阵对应块的转置，为弓网系统增广矩阵的系数矩阵；步骤4：设计受电弓状态估计器，具体为：步骤4.1：建立面向状态估计的弓网数学模型，将弓网系统状态空间模型离散化，得面向状态估计的弓网系统数学模型：式中：w_k为系统噪声项；v_k为量测噪声项；y_k为测量输出；C_k＝[1,0,1,0,1,0]；x_k、A_k、B_k、u_k分别与x、A、B₂、u对应；步骤4.2：测量受电弓弓头、上框架和下框架的位移，测量值包含噪声，通过以下步骤获得受电弓弓头、上框架和下框架的位移和加速度；输入：Q，q，P_k‑1|k‑1＝S_k‑1|k‑1S_k‑1|k‑1'P_k|k‑1＝S_k|k‑1S_k|k‑1'结合状态估计器和控制器，主动控制力u(t)表示为：