自适应容错控制在高速列车防滑及横向姿态调节中的应用

摘要

随着高速铁路的迅猛发展，高速列车行车安全性保障也得到广泛关注。由于车速的提高、线路周边环境的变化、轨道表面的不确定性以及一些轻度地质灾害等因素存在，高速列车的运行安全保障问题较之普速列车而言更为突出，研究有关安全运行控制很有必要。蠕滑运动和蛇形运动是两种严重影响高速列车运行安全性的现象，在实际运行中十分常见。本文针对这两种现象，提出了适用于一类非线性系统的鲁棒自适应容错控制策略，并应用于列车运行防滑控制以及列车横向姿态控制。本文由以下几部分组成。
　　首先介绍一类针对非线性系统的基于李亚普诺夫稳定性证明的鲁棒自适应容错控制策略。该控制策略不仅对系统模型中的不确定性及外部扰动有较强鲁棒性，同时对执行器故障也具备一定的容错能力。其控制效果在高速列车粘着控制以及主动悬挂控制中得到验证。
　　然后，基于列车蠕滑运动及蛇形运动的基本特性，研究了如何改进常见粘着控制系统及主动悬挂控制系统模型，通过考虑列车运行中线路及周边环境存在诸多未知变化(诸如天气突变，轮轨接触面出现异物，发生地质灾害等)及控制系统执行设备输出存在误差或出现故障等因素，分别得出新的系统动力学模型。所建立模型精确性较强，更加充分的反映了系统的实际运行状况。
　　同时，基于上述两种新型模型，分别针对列车运行防滑控制问题和列车横向姿态控制问题进行了鲁棒自适应容错控制策略的研究与设计。所设计的粘着容错控制策略由粘着力估计器、参考蠕滑率推导器、控制器组成；所设计的主动悬挂容错控制策略可同时对车体横移振动及侧滚振动进行调节抑制。两套控制策略不仅对系统模型参数未知时变性、线路环境与轨面条件变化等因素拥有较强的鲁棒性，且对执行器(制动器与阻尼力输出器)故障具备良好的容错能力。控制策略分别通过基于李亚普诺夫稳定性证明方法进行了稳定性分析证明。它们无需大量系统模型信息及人为估计参数，结构简单、易于计算，能够有效保障高速列车运行的平稳性、安全性及舒适性，具备良好的使用价值。本文通过在MATLAB软件上进行相关的仿真验证，证明了所设计策略的稳定性和高效性。
　　最后，对本文所开展的工作进行了总结，并指出了需要进一步研究的工作。