基于滑模控制与一致性算法的动车组高性能制动方法研究

摘要

高速列车是中国客运铁路的主流载体，这对动车组的运行控制技术提出了更高的要求。而制动控制算法是动车组运行控制系统的核心技术，决定着列车诸多运行指标。因此，动车组的制动算法成为当下的研究热点。动车组具有复杂的分布式特点，且在制动过程中存在输入滞后作用，相邻车厢之间存在冲击作用和运行环境变化导致的未知干扰作用等，上述干扰都极大影响了列车对目标制动曲线的跟踪。为此，本文以滑模变结构控制理论和一致性理论为手段，旨在设计高跟踪精度和强鲁棒性的制动跟踪控制器。具体研究内容如下：　　1. 针对列车制动过程中存在输入时滞和外界扰动的问题，提出了一种基于扩张扰动观测器的反演滑模控制算法。首先，构建具有输入时滞的制动系统模型，并引入非奇异线性变换将其转化为无时滞的标准型；其次，利用反演滑模技术设计制动控制器，并引入扩张扰动观测器处理非匹配不确定的扰动，提高系统的抗干扰能力。最后，为验证该算法的正确性，利用MATLAB仿真软件进行数值仿真。　　2. 针对分布式动车组在制动的过程中，相邻列车间存在非线性和不确定性导致跟踪精度下降的问题，设计集成滑模控制的一致性算法。首先，建立了具有车间耦合和不确定性扰动的多智能体模型，然后，设计了滑模一致性制动控制器。一致性算法保证每个车厢速度的一致收敛性，利用上下界的滑模控制技术处理复合干扰项。最后，为验证该算法的正确性，利用MATLAB仿真软件进行数值仿真。　　3. 针对动车组一致性制动控制器抗干扰能力不强，且相邻车厢间距难以控制的问题，提出一种带有滑模观测器的一致性协同制动算法。首先，设计滑模变结构观测器实时在线估计由耦合力与不确定性组成的复合干扰项并反馈至控制器；其次，提出带有人工势能场的一致性算法，实现各车厢速度对目标制动曲线的跟踪，且算法中的人工势能场函数保证相邻车间距始终保持在安全范围。最后，利用MATLAB仿真软件进行数值仿真，并基于RT-Lab半实物平台进行试验测试，共同验证算法的有效性和正确性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 列车制动控制系统建模的研究现状

1.2.2 单质点模型跟踪控制算法研究现状

1.2.3 多智能体模型一致性跟踪研究现状

1.2.4 制动算法中有待进一步研究的问题

1.3 论文主要研究内容及结构安排

第二章 制动系统建模及预备知识

2.1 引言

2.2 考虑输入时滞特性的单质点模型建立

2.3 考虑车间耦合力的多智能体模型建立

2.4 图论基本知识

2.5 一致性算法

2.6 本章小结

第三章 具有输入时滞的动车组的Back-Stepping制动算法

3.1 引言

3.2 具有输入时滞的动车组Back-Stepping制动算法

3.2.1 模型建立与问题描述

3.2.2 无时滞非奇异线性变换

3.2.3 反演滑模控制器设计

3.2.4 扰动扩张观测器设计

3.3 仿真验证及结果分析

3.3.1 参数设置

3.3.2 仿真结果展示与分析

3.4 本章小结

第四章 具有不确定性多智能体动车组的集成协同制动算法

4.1 引言

4.2 集成滑模跟踪控制器设计

4.2.1 模型建立与问题描述

4.2.2 集成滑模控制的一致性控制器

4.3 仿真验证及结果分析

4.3.1 高速列车模型参数

4.3.2 虚拟领航者仿真及结果分析

4.3.3 跟踪控制器仿真及结果分析

4.4 本章小结

第五章 具有不确定性多智能体动车组的鲁棒一致性制动算法

5.1 引言

5.2 鲁棒一致性跟踪控制算法

5.2.1 模型建立与问题描述

5.2.2 扰动观测及鲁棒一致性算法设计

5.2.3 鲁棒一致性算法稳定性分析

5.4 仿真验证及结果分析

5.4.1 滑模观测器仿真及结果分析

5.4.2 跟踪控制器仿真及结果分析

5.4 半实物仿真实验及结果分析

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 全文结论

6.2 研究展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢