[发明专利]基于模型预测的动车组牵引力矩控制方法

权利要求书

1.一种基于模型预测的动车组牵引力矩控制方法，其特征在于，包括：

以各车厢速度为状态变量，各车厢的电机输出转矩为控制变量，建立动车组非线性动力学模型；

将动车组非线性动力学模型离散化，建立动车组线性趋势预测模型；

构建模型预测控制器的优化目标函数与约束条件，求解各车厢的电机输出转矩的最优控制量；

将最优控制量输出至动车组非线性动力学模型，确定各车厢速度的最优值作为状态变量反馈至模型预测控制器，控制各车厢相对速度为零；

其中，采用多元线性回归法进行拟合，建立动车组线性趋势预测模型具体为：

所述动车组非线性动力学模型方程组表示为线性时变预测模型，即：

式中，ξ(t)为以各车厢速度v_i表示的状态变量ξ＝[v₁,...v_i,...]^T，u(t)为以各车厢的电机输出转矩M_{t_i}表示的控制变量u＝[M₁,...M_i,...]^T；J_f(ξ(t₀))为f相对于ξ的雅克比矩阵在ξ(t₀)处的值，J_f(u(t₀))为f相对于u的雅克比矩阵在u(t₀)处的值；

在一个采样周期T内，运用一阶差商法将所述动车组非线性动力学模型方程组离散化，得到离散线性时变状态空间方程如下：

ξ((t+1)|t)＝A(t|t)ξ(t|t)+B(t|t)u(t|t)+ξ_e((t+1)|t) (6)

式中：A(t|t)和B(t|t)分别为系统状态系数矩阵和系统控制系数矩阵，ξ_e((t+1)|t)表示t+1时刻点实际状态量与通过线性模型预测得到的状态量的差值；

以相邻车厢的速度差v_i-v_i+1表示输出变量η(t)，η＝[v₁-v₂,...v_i-v_i+1,...]^T,则输出变量η(t)与状态变量ξ(t)之间的关系式为：

η(t|t)＝Cξ(t|t) (7)

式中，C为系数矩阵，将式(6)和式(7)进行反复迭代，

根据当前状态变量值ξ(t|t)、控制时域[t,t+N_c-1]内的控制变量ΔU(t)、预测时域内的预测状态变量偏差将预测时域[t+1,t+N_p]内输出变量序列Y(t)表示为：

式中，Ψ、Θ、Φ为系数矩阵；

建立综合考虑相对速度偏差和控制增量的目标函数如下：

式中：η_ref(t+i|t)表示期望输出量，Q为反映跟踪偏差项的权重矩阵，R为反映控制增量的权重矩阵，Q和R一般定义为正定或半正定的对角矩阵，ρ为反映约束松弛项的权重系数，ε为约束松弛因子。