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基于GPC-速度分级PID串级控制的ATO速度控制器设计与仿真
| 论文题名： | 基于GPC-速度分级PID串级控制的ATO速度控制器设计与仿真 |
| 关键词： | 列车自动驾驶系统;运行控制系统;串级控制;速度控制器;仿真系统 |
| 摘要： | 我国城市轨道交通进入蓬勃发展时期，多数城市都在建或预建城市轨道交通以缓解城市日益严峻的交通运营负载，随着中国城镇化进程的建设，中国城市轨道交通将会迎来更快的发展。列车自动驾驶系统ATO(Automatic Train Operation)作为列车运行控制系统三个子系统之一，其主要功能是代替司机操作，完成列车速度自动调整、车门屏蔽门控制、精确停车以及停站时间管理等功能。 论文主要就ATO系统的速度自动调整功能进行分析，自动调速是ATO系统的最主要功能之一，控制列车跟随ATS(Automatic Train Supervision)下达的列车速度等级曲线运行，保证列车准点、舒适、节能和精确停车等运行指标。 本文首先对列车行驶过程中可能遇到的干扰和系统关键参数进行分析，包括列车牵引特性、控制时间特性、坡道换算、空转滑行检测和列车质量矫正等，建立列车动力学模型并分析模型参数的取值变化，为控制算法提供理论基础。 在列车动力学模型基础上，以速度跟随性和准点运行为直接控制目标，建立GPC-PID串级控制算法，内环控制以目标等级速度曲线作为跟随输入，采用PID控制算法自动调整列车速度跟随目标速度。本文从衰减率和衰减角频率角度建立PID算法参数整定的方法，并比较衰减率不同与分别采用Kp，1/Ti，Kp/Ti，K2p/Ti对衰减角频率取极大值四种策略时对系统动态特性和跟随性的影响。外环控制以准点运行作为控制目标，采用广义预测控制GPC（Generalized Predictive Control）算法对内环输入量即目标速度进行调整实现时分调整，并分析GPC控制参数随速度的取值变化。对列车精确停车和舒适性指标，本文分别通过速度包络和Jerk率限制的控制策略来保证。通过对列车运行时分的合理规划和目标等级曲线节能性优化，实现整个城市轨道交通体系的节能运营。 控制算法参数的理论整定值，并不一定能够实现控制品质的最优。通过对列车动力学参数的实验辨识，使模型参数更加精确从而通过模型整定的控制参数更好的贴合实际系统的控制特性。本文在控制参数理论整定值的邻域内通过单纯形算法寻优，以抵消实际环境干扰的影响使控制品质达到最优（可能局部最优）。ATO期望一次制动方式实现精确停车，论文根据列车制动距离和列车初始状态利用状态空间法计算典型制动率的修正值即一次制动率。最后，论文建立仿真系统验证列车的自动调速功能，通过对仿真结果分析表明控制算法的有效性和控制品质达到预期目标。 |
| 作者： | 马文 |
| 专业： | 控制理论与控制工程 |
| 导师： | 王长林 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 西南交通大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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