基于输入约束在线辨识的高速列车主动粘着防滑牵引控制

摘要

近年来，构建安全、舒适、高效的列车客运系统成为高速铁路的重要发展方向，高速列车运行安全保障问题逐渐显现并受到关注。牵引系统作为高速列车关键子系统之一，其稳定性及粘着防滑性能直接影响列车运行安全。因此，牵引控制和粘着防滑控制是牵引系统中与列车运行安全相关的关键环节。本文针对这两个环节有机结合的问题，建立了基于粘着防滑约束的高速列车动力学模型;提出了基于支持向量机的高速列车车轮空转预测方法;并设计了基于空转预测器的高速列车主动粘着防滑牵引控制策略。本文主要包括以下几部分:
　　首先，从粘着理论入手，深入分析粘着防滑控制对牵引控制过程的作用规律，研究粘着防滑约束条件在列车模型中的等价形式，建立了基于粘着防滑约束的高速列车动力学模型。由此，两环节有机结合的问题转变为基于粘着防滑约束的牵引控制问题，即带有输入约束的控制问题。
　　然后，为保证轮轨具有主动粘着防滑性能，研究如何实现车轮空转预测。考虑到车轮空转常伴随着列车某些状态的明显变化，把车轮空转检测问题转化为基于支持向量机的区分车轮状态的分类问题;利用空转辨识最优超平面与粘着特性曲线峰值点的对应关系，通过适当平移最优超平面，提出了基于支持向量机的高速列车车轮空转预测方法，并通过两种具体方法实现。预测方法在空转发生前发出车轮具有空转趋势的信号，并且不依赖粘着特性曲线的拟合。在MATLAB中，一系列实验证明了空转预测方法的有效性，并构建了广泛适用的空转预测模型。
　　同时，基于列车动力学模型和车轮空转预测模型，针对高速列车主动粘着防滑牵引控制问题进行研究与设计。通过把空转预测模型与相关控制策略相结合，两环节有机结合的问题最终转化为基于主动粘着防滑约束的牵引控制问题。针对此问题，提出了由牵引控制和基于空转预测器的主动粘着防滑控制两部分组成的主动粘着防滑牵引控制策略。根据牵引转矩限制方法的不同，即模型中在线辨识动态输入约束方法的不同，设计了两种控制策略。通过简单双环控制策略验证控制策略基本方法的可行性;针对补偿牵引转矩可能出现的问题，设计了鲁棒自适应控制策略。利用李雅普诺夫方程对系统稳定性进行分析和验证，并且MATLAB中的实验结果验证了该策略有效地实现主动粘着防滑牵引控制目标，从而保证列车运行安全。
　　最后，总结本文主要工作，并指出需要进一步研究的工作。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 粘着防滑控制技术研究现状简介

1．2 牵引控制技术研究现状简介

1．3 本文的研究意义

1．4 本文的主要内容

2 基于粘着防滑约束的高速列车动力学建模

2．1 粘着理论

2．1．1 粘着机理

2．1．2 粘着特性

2．2 基于粘着防滑约束的高速列车动力学建模的研究

2．3 本章小结

3 基于支持向量机的高速列车车轮空转预测方法

3．1 支持向量机

3．1．1 机器学习

3．1．2 支持向量机分类原理简介

3．2 基于支持向量机的高速列车车轮空转预测方法的研究

3．2．1 基于支持向量机的高速列车车轮空转辨识方法的设计

3．2．2 基于支持向量机的高速列车车轮空转预测方法的设计

3．3 基于支持向量机的高速列车车轮空转预测模型的训练及验证

3．3．1 仿真模型参数选取

3．3．2 实验选取及样本集获取

3．3．3 训练及验证

3．4 本章小结

4 基于空转预测器的高速列车主动粘着防滑牵引控制策略

4．1 简单双环主动粘着防滑牵引控制策略的设计与仿真

4．1．1 简单双环主动粘着防滑牵引控制策略的设计

4．1．2 简单双环主动粘着防滑牵引控制策略的仿真验证

4．2 鲁棒自适应主动粘着防滑牵引控制策略的设计与仿真

4．2．1 鲁棒自适应主动粘着防滑牵引控制策略的设计

4．2．2 鲁棒自适应主动粘着防滑牵引控制策略的仿真验证

4．3 本章小结

5 总结与展望

5．1 研究工作总结

5．2 对未来研究工作的建议

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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