实现接触网恒张力控制系统

摘要

　　接触网为电力机车提供电能，是铁路牵引供电系统的核心。接触网一旦发生安全问题，将会造成铁路运营中断甚至是重大的运行安全事故。随着电力机车运行速度的提高和铁路运行密度的加大，接触网的安全可靠运行也变得越来越重要。

　　接触网安全状态受多种因素影响，其中接触网线索张力是一个很重要的因素，并且接触网张力也能反映接触网的安全状态。因此，接触网的恒张力控制系统的研究分析具有十分重要的意义。

　　本文通过对接触网张力控制系统工作原理进行分析和研究后，建立了以STC89C52 单片机为主控制单元、以交流伺服电机为执行元件，张力传感器为反馈元件的闭环控制系统。

　　分析了控制系统的控制策略，并完成了 PID 和 Fuzzy-PID 控制算法的设计及实现。对该系统进行了数学模型的建立和 Matlab 仿真分析，两种控制算法都可以取得较好的控制效果。针对本文的实验研究，选用了 PID 控制算法。

　　设计了张力控制器的软件部分，主要包括主程序、A/D 采集模块子程序、D/A控制模块子程序、各种接口子程序，并完成了整个软件系统的调试。

　　介绍了张力控制系统实验台，主要分析了张力控制器输出信号和伺服电源的信号连接部分，以此来控制伺服电机旋转来调节张力值，实现了恒张力控制系统的研究与设计。

　　关键字：接触网；张力控制器；伺服电机；PID

Abstract

　　As the core of railway traction power supply system, Overhead Contact System (OCS) is applied to get electrical power for electric locomotive. Once the safety problems about the Overhead Contact System happened, the discontinued operations of railway line even severer security incidents will caused. As the operation speeds of electric locomotive and the density of railway lines increase, safe and reliable operation of Overhead Contact System will become more and more important. The secure state of the system can influenced by many factors, in which the tension of ropes is an important one. In addition, the tension can reflect the secure state of the Overhead Contact System. As a result, the research on the constant tension control system of Overhead Contact System is of great meaning.

　　In this paper, the working principles of Overhead Contact System tension control system are analyzed. On the basis of this, the closed-loop control system whose main control unit is STC89C52 singlechip, execute component is AC servo motor, and feedback component is tension sensor is established.

　　The control strategy in control system is analyzed and the algorithms of PID and Fuzzy-PID are designed and achieved. Some preferably results are obtained by modelin g and simulating. In this paper, the algorithm of PID is adopted based on some practical situations.

　　The software part of tension controller mainly include main program, subprogram of A/D acquisition module, subprogram of D/A control module, some port subprogrames. Software debug of the whole system is completed. The tension control system is introduced in order to analyze the connection between the output signal of tension controller with the signal of servo power. In this case, the tension value can be regulated by controlling the servo motor and the research of constant tension control system can be realized.

　　Key words: Overhead Contact System; Tension controller; Servo motor; PID

　　接触网是铁路上方搭建的一条架空高压输电线路，主要包括接触悬挂、支持及定位装置、支柱与基础等几部分[1]。其工作原理是将接触线直接和受电弓相接触导通电路，为电力机车进行源源不断的供给电能。

　　接触网在电力机车的正常运行过程中起着重要的作用，因此确保对接触网的安全可靠性的控制是必要的。通常接触网会出现一些安全状况，例如大风、雷击、覆冰等的迫害，当出现以上的情况时，接触网支柱两侧的张力会发生不平衡，甚至会使导线段落冲击荷载出现支柱倒塌；在冬天温度较低结冰时，电线还会遇冷进行收缩，在大风时出现震荡，输电线路会因承受不住超载负荷发生断裂。在持续的震荡过程中，导线、接触悬挂、支柱等也会随着不平衡的力量冲击发生疲劳损害，由此接触网的张力大小发生了变化，这样在为电力机车输电时产生了巨大的安全隐患。所以，了解接触网的张力变化和大小在解决张力控制时提供了必要的帮助。

　　与此同时，接触网的电能输送量还和环境温度、风向等有关系。在严格遵守现行技术规定的前提下，动态的提高接触网输送容量，并对接触网的导线张力、弧垂和气象条件（如环境温度、风速）来实时控制，以此来确保接触网在安全运行的基础上，尽量的提升输电线路的输送能力[2]。接触网张力的在线实时控制，在铁路运输和输电线路的供电工程中起着非常重要的作用。

　　总之，接触网的张力控制在电力系统运行的过程中起着非常重要的作用。对接触网的张力进行实时的控制，不仅可以预防接触线断裂、导线支柱倒塌等事故发生，还能够提高接触网的输送容量。所以，接触网的恒张力控制系统的研究，对电力系统的安全、稳定、高效运行有着很大的意义。 由于本科阶段学的是电气专业，所以本阶段对于控制领域中的张力控制对自己来说也是一个新的领域新的挑战，在以后的学习与生活中也具有重要的意义。

　　接触网是在铁路上空沿线架设的特殊供电线路，以锚段为单位重复出现，负责将电能传送给高速列车，由支持装置、定位装置、支柱装置、接触悬挂等部分组成。接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件和绝缘子。接触悬挂通过支持装置架设在支柱上，其功能是将从牵引变电所获得的电能输送给电力机车。

　　牵引变电所通过接触悬挂输电线路将电能传送到高速列车，是牵引供电系统的重要组成装置，其与机车受电弓的接触情况将直接影响电力机车的受流情况[3]。

　　我国绝大部分的高铁线路采用的是简单链形悬挂结构方式，这种悬挂结构由承力索、接触线及张力补偿装置等几部分组成，锚段两端的棘轮张力补偿装置可以根据机车通行情况的变化来调整承力索张力。这种悬挂方式不仅具有较高的受流质量，而且结构简单、运营维护方便。

　　通过材质的不同可将承力索分为铜承力索、铝包承力索和钢承力索。铜承力索由于导电性能较好，通过和接触线并联进行供电，实现牵引电流的通道作用。

　　并且铜承力索抗腐蚀性能力较高，可以减少能耗与压损。但其缺点为铜承力索需要大量铜，成本高，并且其机械强度较低，随温度的变化时弛度变化较大，承受不了较大的张力。铝线、铝覆钢线通过绞合的方式组成铝包承力索，并且用铝覆钢线支撑张力。铝包承力索导电载流能力好，机械强度和抗腐蚀性较好，通过使用符号 GLZ 标注铝包承力索。使用镀锌钡绞线材料制成钢承力索，这种承力索耐张力大，强度高，并且安装弛度及其变化较小，不仅节省绞线而且造价低。但是，钢承力索较易腐蚀，需要一定的防腐措施。而且钢承力索中的阻值较大，有着较差的导电能力，因此称作非载流承力索。

　　至今为止，承力索种类繁多，而且有着较大的技术能力差距。当承力索和接触网使用一样的材质时，能够提高接触网的使用性能，提高了施工的精度，而且减少了接触网现场维护的力度。增强铁道供电系统的安全性，在干线铁道供电线路中主要使用铝、铜合金绞线，而在次干线上通常使用其他的绞线。

　　实现接触网恒张力控制系统实验研究：

恒张力控制系统实验平台

张力控制器

伺服控制器

张力控制器零点调整界面

实验结果 反馈电压为 1V 对应的电机转速

实验结果 反馈电压为 2V 对应的电机转速

实验结果 反馈电压为 2.4V 对应的电机转速

实验结果 反馈电压为 3V 对应的电机转速

实验结果 反馈电压为 4V 对应的电机转速

目 录

　　摘 要
　　Abstract
　　第一章 绪论
　　　　1.1 课题背景及意义
　　　　1.2 接触网的张力控制装置研究现状及设计方案
　　　　　　1.2.1 接触网的组成结构
　　　　　　1.2.2 接触网的张力补偿装置种类
　　　　1.3 本文主要研究内容
　　第二章 接触网恒张力控制系统的工作原理
　　　　2.1 恒张力控制系统基本组成环节
　　　　　　2.1.1 执行机构
　　　　　　2.1.2 张力传感器及变送器
　　　　　　2.1.3 张力控制器
　　　　2.2 张力控制器信号的处理
　　　　　　2.2.1 张力控制器的电路设计
　　　　　　2.2.2 输出转换电路
　　　　2.3 本章小结
　　第三章 恒张力控制系统的控制策略
　　　　3.1 模拟 PID 控制
　　　　3.2 数字 PID 控制及改进方式
　　　　3.3 模糊控制原理
　　　　　　3.3.1 模糊控制系统
　　　　　　3.3.2 模糊控制器
　　　　　　3.3.3 模糊 PID 控制器
　　　　3.4 本章小结
　　第四章 恒张力控制器算法的设计与实现
　　　　4.1 数字 PID 张力控制器的设计与实现
　　　　　　4.1.1 位置式 PID 控制算法
　　　　　　4.1.2 积分分离 PID 控制算法
　　　　　　4.1.3 数字式 PID 张力控制器设计
　　　　　　4.1.4 常规 PID 控制的局限性
　　　　4.2 模糊 PID 控制器的设计与实现
　　　　　　4.2.1 模糊 PID 控制器的设计步骤
　　　　　　4.2.2 模糊 PID 控制器设计
　　　　4.3 Matlab 仿真研究与结果分析
　　　　　　4.3.1 仿真实例
　　　　　　4.3.2 结果分析
　　　　4.4 本章小结
　　第五章 恒张力控制系统的软件设计
　　　　5.1 软件组成
　　　　5.2 主控制程序设计
　　　　5.3 基于 PCF8591 的 A/D、D/A 模块软件设计
　　　　　　5.3.1A/D 转换软件设计
　　　　　　5.3.2 D/A 转换软件设计
　　　　5.4 LCD1602 显示模块软件设计
　　　　　　5.4.1 LCD1602 与单片机接口时序
　　　　　　5.4.2 LCD1602 读写时序
　　　　5.5 本章小结
　　第六章 恒张力控制系统的实验研究
　　　　6.1 实验装置设计.
　　　　6.2 基于单片机 PID 算法的系统软件调试
　　　　　　6.2.1 集成开发环境 KEIL uVision3
　　　　　　6.2.2 KEIL 开发系统软件流程
　　　　　　6.2.3 系统软件调试
　　　　6.3 恒张力控制器实验与结果分析
　　　　　　6.3.1 恒张力控制器调试过程
　　　　　　6.3.2 实验结果分析
　　　　6.4 本章小结
　　第七章 结论与展望
　　　　7.1 结论
　　　　7.2 展望
　　参考文献
　　攻读学位期间主要的研究成果
　　致 谢

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