低地板列车节能控制技术研究

摘要

随着城市化进程快速发展，低地板列车以成本低、人性化、城市景观效果好等优点倍受青睐，并成为世界上许多大城市交通骨干，是城市轨道交通的发展趋势。因此研究低地板列车节能运行，降低能源消耗，对建设资源节约型、环境友好型社会有重要意义。牵引耗能和再生制动回馈能量再利用是影响列车总能耗的两个关键因素，本文在给定的低地板列车编组配置和线路条件下，考虑再生制动能量再利用，研究通过优化列车操纵来降低单列车运行能耗和多车协同运行能耗的方法。
　　本文首先介绍了所研究的低地板列车的编组配置，通过对列车特性描述表明与其他车型的区别及研究的必要性，同时为推导计算列车节能控制策略做准备。之后建立了单列车节能运行能耗模型和列车模型，通过引入庞特里亚金极值原理，并构造哈密顿函数，求解出单列车节能运行控制的最佳原则，结合低地板列车特性，设计单列车运行节能控制算法，验证了列车运行能耗与列车最高速度存在对应关系，并证明了最小能耗的存在。然后在Linux环境下，设计单列车运行节能软件，计算出列车最节能的运行曲线，并分析了节能效果。
　　在单列车节能运行模型基础上，建立多车协同运行能耗模型和列车模型，通过对模型解析得出多车协同节能运行控制策略，即四阶段节能运行控制策略（由最大牵引、匀速、惰行和最大制动四个运行阶段组成）和五阶段节能运行控制策略（由最大牵引、匀速/惰行、最大牵引、惰行和最大制动五个运行阶段组成）。以两辆车在同一供电区间下协同运行为例，运用启发式算法设计两辆车协同运行节能控制软件，分别计算出这两个节能控制策略在不同发车间隔下的节能效果，最终通过对比分析得出不同发车间隔下应采取的最优节能控制策略，同时得出总运行能耗最小时对应的发车间隔及应采取的节能控制策略。
　　最后将列车运行的平动系统换算为列车牵引电机的旋转系统，通过能量等效原则，运用试验电机等效模拟列车牵引电机，从而实现试验电机对列车运行的等效模拟。之后搭建单列车运行试验台，采用LabVIEW编写上位机控制软件，通过串口实现指令通信，对单车节能运行控制策略进行验证。在此基础上，设计两车协同运行试验台，对多车协同节能运行控制策略进行验证，实验结果与仿真一致，表明四阶段节能运行控制策略和五阶段节能运行控制策略可以实现低地板列车节能运行的目的。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 列车节能控制技术的研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．2．3 研究的发展和趋势

1．3 课题研究的内容

2 单车节能运行控制策略研究

2．1 低地板列车配置

2．2 单车节能运行控制策略

2．2．1 单车节能运行数学模型

2．2．2 单车节能运行控制最佳原则

2．3 单车运行最小能耗计算

2．3．1 列车运行线路条件

2．3．2 最小能耗计算

2．4 单车节能运行曲线仿真计算

2．4．1 单车节能运行程序设计

2．4．2 单车节能运行仿真结果

2．5 本章小结

3 多车协同节能运行控制策略研究

3．1 多车协同运行节能控制模型

3．1．1 多车协同运行能耗模型

3．1．2 列车模型

3．2 多车协同节能运行控制策略

3．3 多车协同节能运行仿真

3．3．1 仿真模型介绍

3．3．2 启发式算法设计

3．3．3 程序设计与仿真结果

3．3．4 节能运行控制策略对比分析

3．4 本章小结

4 低地板列车节能控制策略实验研究

4．1 实验平台设计

4．1．1 实验平台数学模型

4．1．2 单车运行实验平台

4．1．3 两车协同运行实验平台

4．2 单车节能运行实验

4．2．1 单车节能运行实验结果

4．2．2 能量分析与误差分析

4．2．3 节能运行与非节能运行对比分析

4．2．4 实验运行状态监测

4．3 两车协同运行实验

4．3．1 实验测试方案

4．3．2 协同运行实验结果

4．3．3 最小能耗分析

4．3．4 最优控制策略分析

4．4 本章小结

5 结论

参考文献

作者简历

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