基于控制器匹配的高速列车广义预测控制方法

摘要

高速列车通常都是采用的动车组形式运行，而受到复杂的各种因素影响，动力学模型通常表现有非线性和剧变特性。高速列车运行速度不断地提高，高速列车的非线性特征表现地越来越明显，通常描述中低速列车运行控制方法的动态过程，对于高速列车已经不能有效使用。所以，研究高速列车有效的动态运行控制算法，进而根据控制算法设计出有效的控制器，对于实现高速列车安全、稳定、高效运行有十分重大的研究意义。本论文的具体研究情况如下：
　　针对高速列车的实际运行过程，普通广义预测控制器在列车控制过程中不能修改控制器参数，以至列车运行中遇到外界未知干扰时影响控制精度和稳定性。本文采用基于控制器匹配的广义预测控制（GPC）调优方法，以达到经过调优的GPC与H∞输出反馈控制器（最优控制器）具有相同的控制效果，并获取 GPC调优参数，实现高速列车速度跟踪运行过程的自动控制。由高速列车实际运行过程所建立的模型参数具有随时间变化而变化的特点，采用基于控制器匹配的高速列车广义预测控制方法，不仅具备自适应建模，还有同步调优控制器参数的作用，因此，对于高速列车实际运行过程速度跟踪，要研究并设计出相应的控制器对其进行控制。本文采用基于控制器匹配的广义预测控制（GPC）调优方法，以达到经过调优的 GPC与输出反馈控制器（最优控制器）具有相同的控制效果，并获取 GPC调优参数，设计基于控制器匹配的高速列车广义预测控制器实现高速列车运行自动控制。首先广义预测控制与最优控制器匹配，通过最优控制器控制律的函数各自系数列出方程，获得广义预测控制增益；然后在获得广义预测控制增益的基础上，将目标函数转化为凸优化问题，使用线性矩阵不等式（LMI）方法，求得广义预测控制的调优参数。而广义预测控制器能够自适应建模参数并与控制器模型匹配，控制器模型匹配，避免模型参数失配，进而能够对控制器模型的稳定性起到保证，最终实现高速列车对给定速度精确跟踪的效果。仿真结果表明 GPC和最优控制器能够很好地匹配，且基于控制器匹配的高速列车广义预测控制效果十分有效，在遇到外界一些未知干扰时，仍能够确保高速列车安全、稳定地正常运行，本文的控制效果要明显优于单一广义预测控制器。
　　本文高速列车运行控制的研究工作，对实现高速列车安全、舒适、正点运行，具有一定实际的理论意义。同时对未来列车自动驾驶（ATO）运行控制也具有一定的参考价值。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 高速动车组运行过程建模与预测控制技术研究现状

1.3 广义预测控制方法的研究现状

1.4 现有研究成果中存在的不足

1.5 本文的主要内容及结构安排

第二章 高速列车建模及广义预测控制

2.1 高速列车建模

2.2 基于控制器匹配的广义预测控制方法

2.3 H∞控制

2.4 本章小结

第三章 高速列车基于控制器匹配的广义预测控制器设计研究

3.1 高速列车ATO系统原理

3.2 高速列车运行过程模型

3.3 基于控制器匹配的高速列车广义预测控制器设计

3.4 本章小结

第四章 仿真实现及分析

4.1 仿真所需参数和给定速度曲线

4.2 本文设计的控制器设计

4.3 本文GPC与H∞控制器匹配效果

4.4 列车正常运行的速度、位移和单位控制力跟踪曲线

4.5 参数突变时速度跟踪曲线和单位控制力曲线

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 主要工作总结

5.2 本课题后续尚需进一步研究的问题

参考文献

个人简历 在读期间发表论文

致谢