高速磁浮列车最优速度曲线及其跟踪控制研究

摘要

高速磁浮列车是未来交通的重要发展方向之一。本文以德国高速磁浮列车系统为研究对象，以实现列车安全正点、舒适节能地自动驾驶为目标，对列车运行的最优速度曲线及其跟踪控制问题以及与此相关的问题进行了研究。主要研究内容如下。 (1)为了便于分析和求解磁浮列车的运行规律，采用拟和方法对磁浮列车运行的非线性动力学模型进行了近似处理，得到了适用于相同类型而不同编组列车系统的统一的近似动力学模型，并给出了隐式解析解的通用表达形式。研究了恒力作用下列车运行的规律，并给出了已知列车运行规律求解控制力的迭代搜索算法。 (2)系统地分析了磁浮列车的双限速度防护问题，提出了基于动力学模型的安全速度防护曲线的求解算法，确定了列车运行的安全速度域。研究了列车速度越界后的防护措施，并给出了列车超速防护下的涡流制动切换算法。 (3)基于磁浮列车的动力学模型，以安全、舒适为约束条件，分别求解了最短时间和最小能量的最优控制问题，在理论分析的基础上给出了工程化求解方法。针对最小能量控制下确定惰行切换点的关键问题，给出了两种求解方法。基于求解不同定时条件下的最小能量得到了能耗随运行时间变化的曲线，为铺画列车运行图提供了重要的依据。 (4)利用反馈线性化技术，处理了磁浮列车系统的非线性动力学模型，设计了非线性补偿器和PI控制器。仿真结果表明，所设计的控制系统实现了列车速度良好地跟踪目标速度曲线。 (5)在分析几种典型轨道交通的列车自动控制系统特点的基础上，提出了一种更完善、安全性和可靠性更高的新型运行控制系统体系结构。分析了新结构中的列车运行仿真系统的核心功能，并基于磁浮列车最优速度曲线的理论和算法设计了运行速度曲线优化模块的功能，为铺画高速磁浮交通系统的运行图提供了技术支撑。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

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致谢

第1章引言

1.1选题背景

1.2问题的提出

1.3研究现状与分析

1.3.1磁浮列车ATC系统的特点

1.3.2磁浮列车ATC系统的研究及应用现状

1.3.3轮轨列车节能操纵的特点及研究现状

1.4论文主要工作及结构安排

1.4.1主要工作

1.4.2结构安排

第2章高速磁浮列车运行控制的基本问题

2.1磁浮列车运行计算的基本原理

2.2磁浮列车运行的动力学模型

2.2.1模型分析

2.2.2求解算法

2.3磁浮列车的基本动力学问题

2.4磁浮列车的基本控制问题

2.5本章小结

第3章高速磁浮列车的安全速度域分析

3.1安全速度防护问题分析

3.1.1磁浮列车的安全理念

3.1.2磁浮列车的双限速度防护问题描述

3.2安全速度防护上限曲线

3.2.1最不利条件下的安全制动曲线

3.2.2最大速度曲线

3.3安全速度防护下限曲线

3.3.1最不利条件下的安全悬浮曲线

3.3.2最小速度曲线

3.4超速和欠速防护技术

3.4.1超速防护

3.4.2欠速防护

3.5算例

3.6本章小结

第4章高速磁浮列车最优牵引速度曲线

4.1最短时间速度曲线

4.1.1问题描述

4.1.2求解分析

4.1.3算法设计

4.2最小能量速度曲线

4.2.1问题描述

4.2.2求解分析

4.2.3算法设计

4.3算例

4.4本章小结

第5章高速磁浮列车自动驾驶控制器的设计

5.1磁浮列车自动驾驶问题描述

5.2磁浮列车非线性动力学模型的反馈线性化

5.3控制器的设计

5.4仿真与分析

5.5本章小结

第6章新型高速磁浮列车运行控制系统体系结构

6.1几种典型轨道交通技术特征比较

6.2几种典型轨道交通的运行控制系统的对比分析

6.3新型高速磁浮列车运行控制系统体系结构

6.3.1中央运行控制系统

6.3.2分区运行控制系统

6.3.3车载运行控制系统

6.4列车运行仿真系统的功能设计

6.5本章小结

第7章结论与展望

7.1结论

7.2有待进一步研究的问题

参考文献

作者简历