随着当前高速铁路和地铁车辆的运营里程的迅速增加,轨道车辆服役保障的问题现已得到了社会各界的广泛关注。传统以调车机车牵引等方式为主的调车作业存在灵活性差的问题,柴油牵引的公铁两用车所排放的大量尾气又对环境造成一定的影响。而纯电力驱动的公铁两用车既能灵活地实现列车的无动力牵引,又不会对环境造成的危害,是未来轨道车辆服役保障车辆的发展方向之一。机动性的要求使得纯电动公铁两用车在狭小的空间内要实现原地转向、对角线行驶等运行模式,若转向系统无法完成高精度的控制,将难以实现将转向中心控制在一点,极易出现侧倾的情况。因此,纯电动公铁两用车的多电机协同控制问题亟待解决。本文的主要研究内容如下:本文首先以纯电动四轮驱动四轮转向(4D4S:four drive four steering)公铁两用车为研究对象,分析其工作原理和车辆特性,设计了电气控制系统,并构建了永磁同步电机的数学模型和转向系统的运动学方程。对于多电机的同步控制,传统PID控制算法对常规被控对象的适用性极强,适合绝大多数的控制场合,但其对于耦合结构的动态特性和稳态精度均无法满足要求。为了解决上述问题,本文通过设计转角协同补偿器,构建了基于转角控制的改进型偏差耦合控制拓扑结构,可使公铁两用车转向系统的控制更稳定,但为了提高系统的控制精度和动态特性,因此引入了智能控制算法。PID控制算法的稳态性能较好,而模糊PID控制算法的响应快。为了解决模糊PID算法在高精度控制场合中稳态精度有限的缺陷,本文提出了基于转角控制的非奇异滑模算法以降低系统的稳态误差,并引入了超扭曲算法解决了抖振的问题。针对以上研究的三类控制算法,通过MATLAB/Simulink平台对多电机协同控制模型进行模拟仿真。仿真研究结果表明,三种控制算法均能很好的实现多电机的协同控制,而超扭曲非奇异滑模控制算法在控制精度、信号响应和跟随性等控制性能均好于其他两种算法。最后,将算法应用到了公铁两用车上,并进行了一系列的测试。试验分析结果表明:本研究设计的公铁两用车能实现要求的转向,对角线行驶和原地旋转行驶。同时,超扭曲非奇异滑模控制算法可很好地实现转向系统多电机的协同控制,并提高了系统的响应速度和稳态特性。本文可为纯电动公铁两用车转向系统控制策略和其他多轴协同控制系统的深入研究奠定基础。
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