本發(fā)明屬于列車受電弓控制領域，尤其涉及一種針對存在外界擾動的受電弓無模型魯棒控制方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、列車車頂?shù)氖茈姽橇熊噺慕佑|網(wǎng)上獲取電流的唯一途徑，其受流質(zhì)量直接關系到高速鐵路的運營安全。接觸力是衡量受流質(zhì)量的重要指標，當受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸力過大時，會導致接觸線和受電弓過度磨損；當接觸力過小時，可能導致受電弓與接觸網(wǎng)之間產(chǎn)生離線電弧，甚至影響列車運行安全。

2、受電弓主動控制是解決接觸力平穩(wěn)的有效手段之一。隨著數(shù)據(jù)采集技術的進步，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的受電弓主動控制方法成為研究熱點，專利cn115635854a、cn116577991a提出基于機器學習的接觸力自適應控制方法。需要注意的是，機器學習需要大量的計算資源和時間進行離線訓練，這可能會受到受電弓搭載控制器的計算能力限制。此外，受電弓長期在戶外運行，其與接觸網(wǎng)之間的接觸性能極易受到外界擾動的影響，這不僅直接影響受流質(zhì)量，還威脅到行車安全，而現(xiàn)有技術尚未充分解決這一問題。因此，亟需一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的在線控制方法，能夠在外界擾動的情況下實現(xiàn)受電弓的高精度控制，同時減少計算資源消耗，以提高列車的安全性和可靠性，并降低維護成本。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決背景技術中存在的問題，本發(fā)明的目的在于，提供一種針對存在外界擾動的受電弓無模型魯棒控制方法，該方法包括以下步驟：

2、步驟（1）：采集列車受電弓運行過程的動態(tài)數(shù)據(jù)；

3、步驟（2）：建立存在外界擾動的列車受電弓數(shù)據(jù)模型，所述數(shù)據(jù)模型包括列車受電弓的偽偏導數(shù)信息；

4、步驟（3）：設計一種估計算法對未知的外界擾動進行估計；

5、步驟（4）：構建代價函數(shù)并利用函數(shù)極值法求解所述代價函數(shù)，優(yōu)化更新步驟（2）中所述列車受電弓的偽偏導數(shù)信息；

6、步驟（5）：設計針對存在外界擾動的列車受電弓無模型魯棒控制方案，所述控制方案包括誤差控制增益和擾動補償控制增益；

7、步驟（6）：構建性能優(yōu)化目標函數(shù)并利用梯度下降法求解所述目標函數(shù)，優(yōu)化更新步驟（5）中所述誤差控制增益和所述擾動補償控制增益；

8、步驟（7）：基于步驟（6）優(yōu)化更新后的所述誤差控制增益和所述擾動補償控制增益，采用步驟（5）中所述無模型魯棒控制方案計算得到的控制輸入信號，對列車受電弓進行控制；

9、如此重復上述步驟（1）-步驟（7），直到控制任務結束。

10、根據(jù)本發(fā)明提供的針對存在外界擾動的受電弓無模型魯棒控制方法，步驟（1）中所述采集列車受電弓運行過程的動態(tài)數(shù)據(jù)，所述動態(tài)數(shù)據(jù)至少包括受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸力設定值、受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸力實時值。

11、根據(jù)本發(fā)明提供的針對存在外界擾動的受電弓無模型魯棒控制方法，步驟（2）中所述建立存在外界擾動的列車受電弓數(shù)據(jù)模型，所述數(shù)據(jù)模型建立如下：

12、；

13、其中，為采樣時刻，為采樣時刻受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸力實時值，；為采樣時刻列車受電弓的控制輸入信號，；為采樣時刻未知的外界擾動估計值，；、為采樣時刻列車受電弓的偽偏導數(shù)信息。

14、根據(jù)本發(fā)明提供的針對存在外界擾動的受電弓無模型魯棒控制方法，步驟（3）中所述設計一種估計算法對未知的外界擾動進行估計，所述估計算法為：

15、；

16、其中，為采樣時刻，為采樣時刻未知的外界擾動估計值，；為可調(diào)因子；為限制因子；、為采樣時刻列車受電弓的偽偏導數(shù)信息；為采樣時刻受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸力實時值，；為采樣時刻列車受電弓的控制輸入信號，。

17、根據(jù)本發(fā)明提供的針對存在外界擾動的受電弓無模型魯棒控制方法，步驟（4）中所述構建代價函數(shù)并利用函數(shù)極值法求解所述代價函數(shù)，優(yōu)化更新步驟（2）中所述列車受電弓的偽偏導數(shù)信息，包括以下步驟：

18、步驟（4.1）：為偽偏導數(shù)信息構建代價函數(shù)：

19、；

20、其中，為采樣時刻，表示函數(shù)；、為采樣時刻列車受電弓的偽偏導數(shù)信息；為采樣時刻受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸力實時值，；為采樣時刻列車受電弓的控制輸入信號，；為采樣時刻列車受電弓的外界擾動估計值，；為第一權重系數(shù)；；

21、步驟（4.2）：利用函數(shù)極值法求解步驟（4.1）中所述代價函數(shù)，并代入步驟（3）中獲取的外界擾動的估計值，得到所述列車受電弓的偽偏導數(shù)信息的更新律：

22、；

23、其中，為第一步長系數(shù)；

24、步驟（4.3）：為偽偏導數(shù)信息構建代價函數(shù)：

25、；

26、其中，為第二個權重系數(shù)；；

27、步驟（4.4）：利用函數(shù)極值法求解步驟（4.3）中所述代價函數(shù)，并代入步驟（3）中獲取的外界擾動的估計值，得到所述列車受電弓的偽偏導數(shù)信息的更新律：

28、；

29、其中，為第二步長系數(shù)。

30、根據(jù)本發(fā)明提供的針對存在外界擾動的受電弓無模型魯棒控制方法，步驟（5）中所述設計針對存在外界擾動的列車受電弓無模型魯棒控制方案，所述控制方案的數(shù)學表達式為：

31、；

32、其中，為采樣時刻，為采樣時刻列車受電弓的控制輸入信號；為采樣時刻的誤差控制增益，為采樣時刻的擾動補償控制增益；為采樣時刻受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸力誤差，，為采樣時刻受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸力設定值，為采樣時刻受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸力實時值；；為采樣時刻未知的外界擾動估計值；；，為控制器偽階數(shù)，為整數(shù)。

33、根據(jù)本發(fā)明提供的針對存在外界擾動的受電弓無模型魯棒控制方法，步驟（6）中所述構建性能優(yōu)化目標函數(shù)并利用梯度下降法求解所述目標函數(shù)，優(yōu)化更新步驟（5）中所述誤差控制增益和所述擾動補償控制增益，包括以下步驟：

34、步驟（6.1）：構建性能優(yōu)化目標函數(shù)：

35、；

36、其中，為采樣時刻；為采樣時刻受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸力設定值；為采樣時刻受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸力實時值；為采樣時刻列車受電弓的控制輸入信號；為懲罰因子；

37、步驟（6.2）：求解步驟（6.1）中所述目標函數(shù)，優(yōu)化更新誤差控制增益：

38、；

39、其中，為采樣時刻的誤差控制增益；為第一學習率；為采樣時刻列車受電弓的偽偏導數(shù)信息；；

40、步驟（6.3）：求解步驟（6.1）中所述目標函數(shù)，優(yōu)化更新擾動補償控制增益：

41、；

42、其中，為采樣時刻的擾動補償增益矩陣；為第二學習率；。

43、本發(fā)明還提供一種針對存在外界擾動的受電弓無模型魯棒控制系統(tǒng)，包括：

44、數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集列車受電弓運行過程的動態(tài)數(shù)據(jù)；

45、控制器模塊，包括數(shù)據(jù)模型建立子模塊、擾動估計子模塊、偽偏導數(shù)更新子模塊、控制方案計算子模塊、控制方案更新子模塊；

46、所述數(shù)據(jù)模型建立子模塊，用于建立存在外界擾動的列車受電弓數(shù)據(jù)模型；

47、所述擾動估計子模塊，用于設計一種估計算法對未知的外界擾動進行估計；

48、所述偽偏導數(shù)更新子模塊，用于構建代價函數(shù)并利用函數(shù)極值法求解所述代價函數(shù)，優(yōu)化更新列車受電弓的偽偏導數(shù)信息；

49、所述控制方案計算子模塊，用于設計針對存在外界擾動的列車受電弓無模型魯棒控制方案，所述控制方案包括誤差控制增益和擾動補償控制增益；

50、所述控制方案更新子模塊，用于構建性能優(yōu)化目標函數(shù)并利用梯度下降法求解所述目標函數(shù)，優(yōu)化更新所述控制方案計算模塊的誤差控制增益和擾動補償控制增益；

51、執(zhí)行器模塊，包括供氣源、精密調(diào)壓閥、氣囊；

52、所述供氣源，用于為所述氣囊提供氣壓；

53、所述精密調(diào)壓閥，連接供氣源與氣囊，用于執(zhí)行控制器模塊計算得到的控制輸入信號，調(diào)節(jié)供氣源進入氣囊的氣體，進而調(diào)節(jié)氣囊氣壓；

54、所述氣囊，用于根據(jù)氣囊氣壓的不同實現(xiàn)對列車受電弓的抬升和降落；

55、被控對象模塊，包括列車受電弓，用于接受執(zhí)行器模塊的控制輸入信號。

56、進一步地，本發(fā)明采用以下技術方案：

57、一種非暫態(tài)計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，該計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上述的針對存在外界擾動的受電弓無模型魯棒控制方法。

58、更進一步地，本發(fā)明采用以下技術方案：

59、一種電子設備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時實現(xiàn)如上述的針對存在外界擾動的受電弓無模型魯棒控制方法。

60、本發(fā)明的有益技術效果為：

61、（1）解決存在外界擾動的受電弓控制問題：本發(fā)明能夠?qū)ν饨鐢_動進行有效補償，實現(xiàn)在復雜環(huán)境下的高精度受電弓控制，大幅提高受電弓系統(tǒng)可靠性；

62、（2）降低建模難度：采用純數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法，無需建立精確的動力學模型，簡化了控制系統(tǒng)設計，降低了研發(fā)成本；

63、（3）降低計算資源消耗：采用完全在線計算，具備較低的計算資源消耗，更易于實際應用，尤其適用于受電弓搭載控制器的計算能力有限的場景；

64、（4）拓寬應用范圍：本發(fā)明提出的控制方法和系統(tǒng)不僅適用于存在外界擾動的列車受電弓，還可以推廣應用于其他存在外界擾動的單輸入單輸出控制系統(tǒng)，具有廣泛的應用前景。