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原文传递基于T-S模糊模型的高速列车运行状态网络化控制方法研究

论文题名：	基于T-S模糊模型的高速列车运行状态网络化控制方法研究
关键词：	高速列车;T-S模糊模型;数据丢包;扰动观测器;输出反馈控制
摘要：	随着中国高速铁路的快速发展，保证高速列车在各种复杂环境下安全运行，并且实现列车运行的平稳、舒适和低能耗，进一步迈向高速铁路运行的智能化，是轨道交通科技的主要工作和重要发展方向。为提高高速列车的控制性能，通常使用不同类型的传感器监测高速列车的运行状态，设计相应的控制器产生控制指令，再用列车信号传输网络发送到执行器，执行器接收并执行控制指令，实现对高速列车的控制。然而，在多影响因素下高速列车的运行是具有强耦合和高度非线性特性的，且随着运行环境越复杂，这种特性表现得越明显。为了解决这种强耦合、高度非线性的高速列车控制问题，本文针对高速列车控制面临的复杂影响因素，提出了基于T-S模糊模型的高速列车网络化控制方法。高速列车实际运行过程中可能出现的影响因素有以下几类：1)高速列车车辆之间的耦合作用力产生系统时延；2)高速列车长时间运行过程中质量、弹簧系数和阻尼系数的变化造成不确定性因素；3)在高速列车通信网络中，传感器、控制器和执行器等网络节点间信息交换时，受网络带宽限制和数据传输不稳定的影响，产生网络时延和数据丢包等现象；4)速度和位移传感器采集高速列车运行速度和位移时存在量测误差。这些影响因素均会不同程度地影响高速列车的控制性能，甚至威胁高速列车的安全运行。为了改善这些影响因素在不同组合下高速列车的控制性能，本文提出了相应的控制策略，具体如下：　　首先，分别研究系统固定时延和时变时延对高速列车控制性能的影响。在此基础上，分析不确定性对高速列车控制性能的影响。分别建立考虑系统状态单时延、多重时变时延、两种时延与不确定性各自结合影响下的高速列车T-S模糊多质点模型。基于时滞与鲁棒控制方法，设计状态反馈控制器，分析上述因素对高速列车控制性能的影响，并验证所提出控制策略的可行性。　　其次，研究具有系统时延、不确定性和外部干扰的高速列车控制性能问题。由于高速列车运行于复杂环境时，一些系统状态量无法直接测量，因此，建立了基于状态观测器的高速列车T-S模糊多质点模型。基于Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式方法，设计记忆与无记忆相结合的状态反馈控制器，分析三个因素共同作用下对高速列车控制性能的影响。　　然后，针对系统和通信时延、不确定性、外部干扰和量测误差对高速列车控制性能的影响，同时考虑某些状态量难以直接测量的问题。引入伊藤随机微分方程处理量测误差的影响，且重新设计静态输出反馈控制器来改善高速列车的控制性能。通过数值仿真，并与既有文献的鲁棒H∞控制器对比，验证本文提出的鲁棒静态输出反馈控制器的可行性和有效性。　　最后，研究具有系统和通信时延、不确定性、外部干扰、量测误差和数据丢包因素的高速列车控制问题。由于高速列车通过通信网络进行传输数据时存在数据丢包现象，因此，基于伯努利分布建立更接近实际情况的高速列车T-S模糊多质点模型，并使用随机网络控制方法，设计具有数据丢包的输出反馈控制器。仿真结果验证提出的控制策略既能确保高速列车在低能耗下平稳安全的运行，又能实现精准停车。
作者：	石蕊
专业：	车辆工程
导师：	石广田;崔彦良
授予学位：	博士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022