基于模糊PID算法的安全ATO系统研究

摘要

本文是对城市轨道交通领域列车自动驾驶ATO系统的研究设计。ATO系统原本是一个安全无关的系统，论文为其设计搭建了一个基于TMS570LS20216处理器的二乘二取二的安全硬件平台，并合理的设计了同步倒机逻辑，同时通过仿真比较选择了模糊PID的控制算法，更好的追踪目标曲线。在软件平台中移植了μc/os-Ⅱ操作系统，后对该平台进行了测试验证。论文完整的描述了设计制作一个嵌入式系统的理论分析、仿真比较、硬件设计、软件设计、测试验证等一系列过程。
　　本文总共分为六个部分:
　　第一章为绪论部分。主要介绍了城市轨道交通信号系统制式的发展现状，当前国内外的主流供货商，以及移动闭塞制式的工作原理。
　　第二章简单介绍了列车自动驾驶ATO系统。其中主要描述了ATO系统的整体结构，较为详细的说明了当前工程中使用的ATO系统的主要功能和工作原理。
　　第三章是算法仿真分析部分。简单介绍了经典PID算法和模糊算法的基本概念，并结合这两者的优点形成了更高效率的模糊PID算法。同时还使用了MATLAB的simulink工具箱，基于一个两站一区间的简单模型，对经典PID算法和模糊PID算法分别进行仿真，并比较结果。
　　第四章是安全ATO系统的硬件平台设计实现部分。经过比较双机热备、三取二、二乘二取二这3种结构，选择了最适合本文安全平台的二乘二取二结构，设计了1系2系的倒机逻辑，并论述了其安全性和可靠性。详细阐述了硬件平台各个模块的电路图设计原理，对于关键单元（判断电路）进行实物测试验证，使用Cadence软件完成PCB设计，制板并焊接元器件。
　　第五章是系统软件平台的设计实现部分。详细叙述了μc/os-Ⅱ操作系统的移植过程和使用条件，简单描述了主程序和子程序的基本内容。然后烧写程序，对整个平台进行测试验证。并从上位机的串口收发工具中选取收到的40组数据，对目标曲线、仿真结果和实际输出数据进行了比较。
　　第六章对论文所做的工作进行总结，分析了论文的主要内容，并对本平台的进一步改善提出了自己的见解。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 论文的研究背景与意义

1．2 信号系统制式及国内外现状

1．2．1 城轨交通ATC系统分类

1．2．2 国内外系统集成商对比

1．2．3 移动闭塞系统及原理

1．3 论文主要研究的内容

2 列车自动驾驶(ATO)系统

2．1 ATO系统的整体结构

2．2 ATO系统的基本功能

2．3 ATO系统的工作原理

3 结合模糊PID算法的列车自动驾驶

3．1 经典PID控制系统

3．1．1 PID控制算法

3．1．2 PID仿真及分析

3．2 模糊控制系统

3．3 模糊PID控制系统

3．3．1 模糊PID算法

3．3．2 仿真及验证分析

4 系统硬件平台设计开发

4．1 系统硬件结构比较

4．1．1 双机热备系统机构

4．1．2 三取二系统结构

4．1．3 二乘二取二系统结构

4．2 TMS570LS闪存微控制器

4．3 二乘二取二结构设计

4．3．1 系间硬同步设计

4．3．2 可靠性分析

4．3．3 安全性分析

4．4 硬件平台设计

4．4．1 电源模块设计

4．4．2 时钟电路模块设计

4．4．3 判断和报警电路设计

4．4．4 电压转换模块设计

4．4．5 比较电路设计

4．4．6 其它模块设计

4．4．7 PCB设计概述

5 系统软件平台设计开发

5．1 μc／os-Ⅱ嵌入式实时操作系统

5．2 μc／os-Ⅱ的移植

5．2．1 移植条件

5．2．2 移植步骤

5．3 软件程序模块设计

5．3．1 外设模块子程序

5．3．2 主程序APP．c

5．4 测试验证结果分析

5．4．1 烧写程序

5．4．2 上位机通信

5．4．3 结果分析

6 结论

参考文献

附录A 模糊控制器具体控制规则

附录B 硬件平台原理图

附录C PCB设计输出文件

附录D LED上电自检函数

附录E 模糊kp计算函数

作者简历

学位论文数据集