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高速列车自动驾驶速度控制器设计研究
| 论文题名： | 高速列车自动驾驶速度控制器设计研究 |
| 关键词： | 高速列车;自动驾驶;速度跟踪;执行器故障;滑模自抗扰 |
| 摘要： | 在高速列车的车载设备中增添列车自动驾驶(AutomaticTrainoperation,ATO)系统，正常运行工况下可以取代人工驾驶，这不仅减轻了司机的疲劳程度、降低了人工作业失误率，而且提高了线路运行效率。不同于无人驾驶，具备自动驾驶功能的列车还是需要配备驾驶人员，充当备份系统的角色，平时起监督ATO运行的作用，危急时刻人工优先操作。要使ATO投入高铁运营，则在性能方面必须满足技术规定的要求。所以本文主要围绕高速列车ATO系统的速度跟踪问题研究和设计控制器。具体研究内容及创新点如下： (1)首先阐述了ATO的系统结构和主要功能，剖析了ATO与其他信号设备间的信息传输，总结了当前评价ATO性能的若干指标；然后根据列车单/多质点模型，分别计算出相对应地高速列车动力学方程，通过对比分析，选择更贴合实际需求的模型作为研究的基础。 (2)针对高速列车自动驾驶中应用传统自抗扰控制跟踪运行速度时可调参数多且整定困难的问题，提出基于滑模线性自抗扰(SlidingModeLinearActiveDisturbanceRejectionControl，SM-LADRC)的高速列车ATO速度控制器设计方案。首先，依据线性自抗扰控制(LinearActiveDisturbanceRejectionControl，LADRC)算法，设计实时估计系统未建模扰动的线性扩张状态观测器；之后，采用改进指数趋近律的滑模控制(SlidingModeControl，SMC)优化误差反馈控制律；最后，设计SM-LADRC速度控制器，从而减少可调参数，简化整定过程，实现对目标速度—距离指令的高精度追踪，进一步增强抗干扰能力，提高响应速度。 (3)针对执行器部分失效，影响牵引力/制动力的输出，进而影响速度控制器性能的问题，设计基于反步线性滑模的高速列车ATO容错速度控制器；关于执行器饱和受限问题，通过引入一种辅助信号，根据执行力大小不断自动调整状态变量；考虑线路未知不确定性、外界干扰等因素对列车动力学模型的影响，利用扩张状态观测器估计内外界干扰并补偿。但因线性滑模存在稳态误差精度低的缺陷，故引入非奇异滑模控制，这为ATO系统各项性能指标要求的实现及高速列车自动驾驶安全运行提供有力保障。 |
| 作者： | 梁乐观 |
| 专业： | 交通信息工程及控制 |
| 导师： | 牛宏侠 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 兰州交通大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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