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原文传递基于预见控制的货运列车速度跟踪控制研究

论文题名：	基于预见控制的货运列车速度跟踪控制研究
关键词：	货运列车;自动驾驶;速控系统;时滞系统;预见控制
摘要：	近些年中国铁路建设快速发展，铁路相关的技术也逐渐成为研究的重点。列车自动驾驶是铁路发展的必经之路，中国高速铁路自动驾驶技术已经位居世界前列。货运列车自动驾驶尚不成熟，货运列车与高速列车和城市轨道列车自动驾驶系统相比，主要区别在于货运列车速度控制系统具有大滞后、非线性、多信息、多约束特性。为解决大滞后和多信息两特性带来的列车速度控制问题，开展基于预见控制的货运列车速度控制系统精确跟踪策略研究，对提升货运列车速度跟踪精度和完善货运列车自动驾驶系统具有重要意义。　　针对货运列车速度控制系统大滞后和多信息特性，通过建立数学模型并进行特性分析，设计针对货运列车速控系统特性的预见速度跟踪控制器。　　（1）分析列车速控系统的功能和结构，并建立货运列车动力模型。选取列车运行稳定性和准时性为列车速控系统指标。分析货运列车动力特性、运行阻力、列车多质点受力模型，建立了基于HXD1型电力机车的货运列车速度跟踪控制系统。　　（2）对货运列车速度跟踪控制和速度量测分别进行实验论证。结合运算量和实现难度，搭建了基于滑模控制器和模糊PID控制器的货运列车速度控制模块。基于信息来源尽量多元化、测速系统结构简单可靠、运算量尽量小的标准，搭建了基于全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）和惯性导航系统（InertialNavigationSystem，INS）的组合导航模块。通过仿真实验与分析，两速度控制器和GNSS/INS组合导航的控制方案基本可以完成货运列车速度控制及速度量测任务。但滑模控制器因工作模态切换导致列车运行速度出现周期性波动，模糊PID控制器的模糊规则选择增加了系统延时，在牵引和制动工况下产生较大的跟踪误差。GNSS/INS组合导航可以修正INS的累计误差，但因卫星信号易缺失，组合导航方式在小范围内出现累计误差。　　（3）设计针对时滞问题的货运列车最优预见速度跟踪控制器。建立滞后模型和带有时滞的状态空间方程。针对含状态时滞的离散控制系统，构造关于输入时滞项和目标值的扩大误差系统，将系统调整为不包含时滞的形式。然后进行最优预见速度控制器的设计，仿真实验表明所提速度控制器的可行性，并在货运列车速度精确跟踪方面具有优越性。　　（4）设计多源信息融合预见速度跟踪控制器。针对列车速控系统多信息的特点，提出列车多源速度融合模型。选用GNSS、INS和测速电机三种传感器，GNSS和INS以GNSS/INS松耦合组合导航的形式提供速度信息，测速电机经过滤波和空转打滑处理后提供列车速度信息。最后用改进熵权法计算两者权重，得到更准确的货运列车速度量测信息。对于控制器，融合预见控制系统中性能指标和控制量的软约束信息，计算信息融合最优预见控制的控制量。基于列车多源速度融合模型和信息融合预见控制器，设计多源信息融合预见速度跟踪控制器。通过仿真实验与分析，速度信息融合模块能够提供比GNSS/INS组合导航更加准确的货运列车速度信息，多源信息融合预见速度跟踪控制器能够大幅减小货运列车速度跟踪误差。
作者：	姜鹏
专业：	电气工程
导师：	刘江永
授予学位：	硕士
授予学位单位：	湘潭大学
学位年度：	2022