基于模糊自适应控制的城轨列车牵引控制策略研究与仿真

摘要

近些年，随着经济的蓬勃发展，对交通的需求量越来越大，为了缓解交通拥堵，建设绿色新型交通系统成为了轨道交通的发展方向，城轨列车也从传统的人工驾驶逐渐地转变为无人驾驶模式。城轨列车自动驾驶系统通过对列车牵引和制动进行控制，从而达到调节列车运行速度的目的，使列车能够自动安全，准点运行，同时提高列车运行的平稳性和舒适性。
　　实现列车自动安全、高效运行关键技术在于对速度目标曲线的优化和速度控制器的设计，在此背景下，论文的主要对列车自动驾驶系统(ATO)的结构、原理、可以实现的功能以及各个工况转换条件和原则、控制策略等性能进行了介绍，在此基础上，分析城轨列车的运行环境，以及列车运行牵引力、制动力、阻力等，针对城轨列车自动运行的特点，建立以节能性、舒适性、停车准时性、停车准位性为指标的多目标模型，应用均方差法求得各个指标的权重值，并利用遗传算法对所建立的多目标模型进行优化，在MATLAB环境下对某段线路仿真得到列车运行的目标曲线;通过应用经典的控制理论(PID)，建立PID速度控制器，并对目标曲线进行跟踪仿真，从仿真结果中，可以看出在列车运行工况转换时，PID控制的速度曲线会出现比较大的波动量，且恢复时间较长，达不到对目标曲线的预期跟踪效果，PID控制无法根据列车运行环境变化对控制参数进行调节，结合模糊推理和自适应控制策略，建立模糊自适应PID控制器，可以对列车运行速度的动态调整。
　　通过对目标曲线进行跟踪仿真，并对列车运行过程中能耗、舒适性、安全性、跟踪性、停车准确性、准时性的仿真结果进行分析，在考虑列车运行环境等干扰因素的条件下，模糊自适应PID速度控制器控制的列车运行曲线更加贴近目标曲线，速度-距离误差更小，具有较强的抗干扰能力，控制效果较为理想。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文研究背景和意义

1．2 国内外城轨列车自动驾驶技术的发展

1．2．1 城轨列车动力学模型的研究

1．2．2 列车运行速度目标曲线的优化研究

1．2．3 列车运行速度曲线的跟踪控制算法研究

1．3 论文研究内容及目标

2 城轨列车自动驾驶系统分析

2．1 城轨列车自动驾驶系统(ATO)简介

2．2 ATO系统功能

2．3 城轨列车运行速度自动控制原则

2．4 ATO系统的性能评价指标

2．5 城轨列车自动驾驶控制策略

2．5．1 城轨列车运行过程中限速处理策略

2．5．2 工况选择及转换策略

2．6 城轨列车自动驾驶优化控制原则

2．7 城轨列车运行控制方案的设定

2．8 本章小结

3 城轨列车运动过程分析及多目标评价指标模型的建立

3．1 城轨列车运动过程分析

3．1．1 城轨列车运行牵引模型

3．1．2 城轨列车牵引力的计算分析

3．1．3 城轨列车制动力分析

3．1．4 城轨列车运行时阻力计算

3．1．5 城轨列车运行时所受合力分析

3．2 城轨列车运行的各性能指标模型

3．3 本章小结

4 城轨列车运行目标曲线的求解及模糊控制

4．1 城轨列车运行多目标模型的优化

4．1．1 城轨列车运行多目标优化模型的建立

4．1．2 城轨列车自动驾驶多目标优化方法

4．1．3 遗传算法的求解过程

4．1．4 遗传算法的编码

4．1．5 遗传算法的选择过程

4．1．6 遗传算法适应度的计算

4．1．7 权重系数的计算

4．2 城轨列车速度目标曲线的生成

4．3 速度曲线的PID跟踪控制

4．3．1 PID控制的基本原理和参数设计

4．3．2 PID控制器的速度跟踪控制

4．4 模糊自适应控制

4．4．1 模糊自适应控制的基本原理

4．4．2 模糊自适应控制器的性能要求

4．4．3 模糊自适应控制量的校正

4．4．4 模糊自适应控制规则的修正

4．5 本章小结

5 城轨列车运行模糊自适应PID控制器的设计与仿真

5．1 模糊自适应PID控制器的设计

5．1．1 模糊自适应PID控制器参数的设计

5．1．2 模糊控制规则

5．2 模糊自适应PID控制的仿真模型

5．2．1 模糊自适应PID控制器的工作原理

5．2．2 模糊自适应控制器仿真模型的建立

5．3 模糊自适应PID控制与PID控制的仿真结果分析

5．3．1 列车运行安全性分析

5．3．2 能耗仿真结果分析

5．3．3 舒适性仿真结果分析

5．3．4 准时性仿真结果分析

5．3．5 停车精确性仿真结果分析

5．4 城轨列车运行平稳性分析

5．5 本草小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果