动车组列车自动停车控制

摘要

近十年，我国已形成了以城市轨道交通和高速铁路为代表的铁路运输系统，其路网规模达到了世界领先水平。随着路网的不断扩大，设计高性能的列车控制系统成为了改善整个路网运营效率的前提条件，而停车精度则是衡量列控系统性能的重要指标。因此，自动停车控制已成为了轨道交通控制领域的重要课题。
　　本文研究了城市轨道交通和高速铁路动车组的自动停车控制问题。首先，分析了制动系统各环节的物理特性及列车动力学特性，针对制动系统的非线性及时滞、运行阻力的不确定等特性，建立了多个列车单质点动力学模型，分别设计了相应的停车控制器，并给出了相关稳定性证明。在此基础上，考虑车间耦合及列车阻力纵向分布不均匀等特性，建立了动车组多质点动力学模型，设计了分散式自动停车控制器，并给出了相关稳定性证明。本文主要研究内容及创新成果如下:
　　第一，分析了空电混合制动系统各环节的动态特性，建立了具有延时环节的线性制动模型，设计了制动减速度控制器，有效抑制了制动冲击。进一步考虑制动减速度难以准确测量以及基础制动装置非线性特性，建立了具有输入时滞的二阶非线性制动模型，利用泛函算子建立了非线性输入时滞系统的状态预测表达式，在此基础上，设计了Backstepping制动控制器，并给出了追踪误差收敛的理论证明。
　　第二，分析了机械制动条件下停车系统的动态特性，基于闸瓦摩擦系数不变的假设，建立了三阶线性化停车系统动力学模型，基于自适应PIQ(proportional-integral-quadratic)技术和Backstepping技术，设计了模型参考自适应停车控制器，实现了对理想停车曲线的快速追踪，并给出了闭环停车系统稳定及速度追踪误差收敛的理论证明。在此基础上，考虑运行阻力的不确定性，设计了基于映射方法的鲁棒自适应律，针对控制信号的瞬时冲击，提出了变误差系数的改进方法，并分别给出了系统稳定的理论证明。
　　第三，进一步考虑制动系统时滞特性、闸瓦摩擦系数随车速变化及制动系统存在扰动等因素，建立了具有输入时滞和有界扰动的三阶非线性停车系统动力学模型。利用泛函算子，建立了存在有界扰动条件下，非线性时滞系统状态预测的关系，在此基础上，设计了Backstepping鲁棒自动停车控制器。所提控制器降低了Backstepping技术的运算复杂度。最后，给出了停车系统对于有界扰动为输入-状态稳定的理论证明。
　　第四，考虑列车纵向动力学特性、阻力分布不均匀特性、空电混合制动特性及切换等因素，基于大系统理论，建立了具有未建模动态的非线性多质点动力学模型，并依据列车速度，将非线性模型表示为T-S（Takagi-Sugeno）模糊模型。为逼近大系统中未知互联项和未建模动态的上界，构造了鲁棒自适应模糊系统，在此基础上，设计了分散式滑模自动停车控制器，并给出了追踪误差收敛的理论证明。

目录

声明

致谢

摘要

主要符号对照表

1 绪论

1．1 背景及研究意义

1．2 研究及应用现状

1．3 存在的问题及对策分析

1．4 本文的主要研究内容

2 非线性时滞列车制动模型的制动减速度控制

2．1 考虑具有时滞特性的列车制动减速度控制

2．1．1 具有时滞特性的制动系统动力学模型

2．1．2 控制器设计及性能分析

2．2 考虑具有非线性输入时滞特性的列车制动减速度控制

2．2．1 具有输入时滞和非线性的制动系统动力学模型

2．2．2 控制器设计及稳定性证明

2．3 数值仿真

2．4 本章小结

3 参数不确定停车模型的自适应PIQ停车控制

3．1 具有未知参数的停车系统动力学模型

3．2 基于自适应PIQ的停车控制器设计

3．2．1 设计目标

3．2．2 控制器设计及稳定性证明

3．2．3 控制器性能优化及稳定性证明

3．3 数值仿真

3．4 本章小结

4 不确定非线性时滞停车模型的Backstepping停车控制

4．1 停车系统不确定非线性时滞动力学模型

4．2 基于Backstepping的停车控制器设计

4．2．1 设计目标

4．2．2 控制器设计及稳定性证明

4．3 数值仿真

4．4 本章小结

5 不确定非线性多质点停车模型的滑模停车控制

5．1 停车系统不确定非线性动力学模型

5．1．1 具有不确定性的非线性多质点停车模型

5．1．2 具有不确定性的T-S模糊模型

5．2 自适应模糊滑模分散式停车控制器设计

5．2．1 设计目标

5．2．2 控制器设计及稳定性证明

5．3 数值仿真

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历

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