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原文传递基于多质点模型的动车组精准停车和容错控制研究

论文题名：	基于多质点模型的动车组精准停车和容错控制研究
关键词：	动车组;精准停车;容错控制;运行安全;多质点模型
摘要：	铁路运输系统作为当今客、货运输的主流方式之一，凭借运行速度快、运输能力强，成本低、安全、可靠等特点，在我国快速的发展。在先进技术的支持下，列车运行控制系统不仅在列车高速运行时保证其安全运营，还在部分运营线路中开始实现列车的自动驾驶。列车运行控制技术的迅猛发展，离不开先进的控制策略。性能良好的控制策略不仅能够控制动车组以很高的控制精度在不同的运行环境中行驶，还能够保证动车组在发生故障时安全运行。本文针对动车组不同状态的运行控制问题，通过建立动车组多质点模型，应用参数自适应控制策略提高动车组精准停车和追踪运行的控制精度，应用受控拉格朗日函数法设计容错控制器保证动车组在故障状态下运行控制的安全性和稳定性。　　动车组内部结构复杂，且动力学特性具有较强的非线性。精确的动力学模型有助于控制器对动车组实现更加安全，精准的控制。为进一步提高动车组的控制精度，本文根据现有的理论基础和动车组牵引/制动控制方式，分析动车组在不同运行工况中的动力学特性，同时，考虑动车组运行过程中环境因素和各车厢之间相互作用力的影响。将动车组每个动力单元视为一个质点，建立更符合动车组实际的运行情况且适用于动力分散式动车组控制方式的多质点动力学模型，弥补了动车组单质点模型的局限性和不足之处。在该模型的基础上，建立模型参数未知的动力学模型和适用于动车组单个动力单元故障状态下的动车组欠驱动力学模型。　　论文在动车组各设备正常工作的前提下，针对动车组精准停车和追踪运行控制问题进行研究和分析。考虑到动车组在运行过程中，受到自身因素和环境因素的影响，其模型参数具有未知性和随机性。在动车组多质点模型的基础上建立模型参数未知的动力学模型，利用动车组在运行过程中的速度偏差和位置偏差设计自适应控制律，以此分配不同的制动力对乘车人数随机且未知的各动力单元进行协调控制。同时，设计含参数误差的参数估计律，对模型参数进行在线估计，使得控制律可实现动车组渐近跟踪期望的轨迹，以有效应对动车组动力学模型参数的随机性未知性。为证明所设计控制算法的渐近稳定性，构建含有参数估计律的Lyapunov函数，并应用输入-输出稳定性理论进行证明。相比于传统的动车组单质点模型，能够保证所有动力单元的停车精度是本文所提算法的优点。　　论文针对动车组在牵引或制动执行机构故障时的安全运行控制问题，应用一种基于受控拉格朗日函数法CL(ControlledLagrangians)的控制策略，实现动车组在部分动力单元故障状态下的容错控制。首先，建立单个动力单元故障状态下，动车组非线性，耦合的多质点欠驱动力学模型。其次，利用期望的受控能量和广义力构造受控拉格朗日方程，得到受控方程与系统原始方程之间的动能匹配条件和势能匹配条件。通过化简和求解匹配条件中的偏微分方程，即得到能够使系统同时实现位置与速度全局渐近镇定的非线性光滑反馈控制律。最后，选取受控能量作为Lyapunov函数，并利用LaSalle不变定理证明其渐近稳定性。所提算法在充分反映动车组模型非线性特性的同时，能够使闭环系统以较大的收敛范围快速收敛。
作者：	王以庆
专业：	交通运输工程
导师：	李茂青;孙建玲
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022