[发明专利]一种基于分布式模型的动车组同步跟踪控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及动车组运行过程各单元分布式建模与高精度同步跟踪控制方法，属动车组运行过程建模与速度同步跟踪控制领域。

背景技术

相对普通中低速内燃列车和其它交通工具，动车组具有运营速度高、燃料省、安全可靠、乘客舒适性得以改善等明显优势，在一定程度上缓解了我国交通资源紧缺的现状。列车运行控制系统是动车组安全运行的保障，研究动车组各动力单元的动态特性及其相应的控制方法具有重要意义。国内普遍采用的是动力分散式动车组，相对集中式动车组，动力分散式动车组具有加速度快、轴重轻、易于操控和安全性高等优点，已逐渐成为现代轨道交通工具的主流和未来的发展方向。随着动车组运行速度的不断提高，各个动力单元间的非线性和强耦合等特性显著加剧，如何准确辨识每个动力单元的动态特性并设计有效的控制器对实现高速动车组安全、舒适、平稳运行具有重要意义。

针对动车组的建模方法，大致可以分为集中式和分布式建模两种。集中式建模方法是把高速动车组当作单质点进行研究，较少考虑动力单元间的耦合作用。然而，随着动车组速度的提高，这种耦合效应成为影响系统控制性能改善的主要因素，采用分布式建模更能表征这种动态特性。目前运用到动车组的分布式模型通常采用基于牵引计算和运行阻力经验模型的描述方法，还无法完整刻画动车组复杂多变的动态行为。

在列车运行控制方法发展过程中，PID控制以及带参数自适应的改进PID算法，都在一定程度上取得令人满意的效果。但高速动车组的运行过程是一个复杂的多变量、非线性动态系统，PID算法难以获得理想的效果。基于模糊控制、专家系统和鲁棒自适应控制等列车运行过程智能控制算法，取得了比PID更好的控制效果，但是模糊控制方法和专家系统控制方法主要是模拟专家实际经验，当动车组运行环境发生变化或受到随机干扰时，难以在线调整；鲁棒自适应控制器是从全局稳定性的角度而设计的且忽略了系统动态性能。此外，上述控制方法主要应用在城市轨道交通等普通速度列车，较少涉及动车组运行控制方法。

发明内容

本发明的目的是，对高速动车组复杂的非线性运行过程建立有效的分布式状态空间模型描述，以各单元子空间模型输出和期望输出之间的偏差平方和为目标函数，设计动车组各单元同步跟踪控制器，实现动车组运行速度的高精度跟踪。

本发明的技术方案是：针对动力分散式动车组由若干牵引/制动控制单元相互耦合组成的结构特点，提出动车组运行过程的分布式描述方法；借助动车组牵引/制动特性曲线和实际运行数据，采用子空间模型辨识方法建立了动车组分布式状态空间模型；提出基于高速动车组分布式模型的同步跟踪控制方法，实现高速动车组各单元运行速度的高精度同步跟踪。所述技术方案具体描述为：

1、建立基于子空间辨识的高速动车组分布式模型：

高速动车组是由多节动力车和拖车固定编组在一起组成的动力分散式系统，把高速动车组分成若干个牵引/制动控制单元来进行分布式建模更能准确的分析高速动车组的受力情况和描述其运行特性。图1描述了由r个动力单元串联组成的高速动车组。其各单元运动过程动力学模型可表示为：

式中，t=2，…，r-1，r是高速动车组动力单元数，是动力单元受到的空气阻力；是机械阻力；u_t代表各动力单元的牵引力/制动力，且u_t=u+Δu_t；x_t代表各动力单元的位移，代表各动力单元的速度，代表各动力单元的加速度；m_t代表各动力单元的质量；代表动力单元之间的弹簧系数；b代表相邻动力单元间阻尼器的阻尼系数。c₀、c_v、c_a是阻力系数，具有高度不确定性。代表空气阻力，是速度的非线性函数，并且随着列车运行速度的增加所占的比例越来越大，其非线性特性就越明显。由式(1)可知，高速动车组第t个动力单元的非线性状态空间模型描述如下：

其中，为k时刻系统输入序列，为k时刻系统输出序列，为k时刻系统状态序列；是非线性向量函数；分别是k时刻系统不可观测的噪声序列。

然后，利用局部建模思想，在高速动车组平衡点(x_e,u_e)附近将其近似成线性系统，式(2)等效成线性离散状态空间模型，可描述为：