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原文传递高速列车的鲁棒自适应及容错控制

论文题名：	高速列车的鲁棒自适应及容错控制
关键词：	高速列车;运行安全;鲁棒自适应;容错控制
摘要：	规模化快速发展高速铁路是我国经济社会发展乃至国家安全的重大战略需求，而列车的安全运行是高速铁路建设和发展的根本前提。采用先进控制策略是确保高速列车在轨安全的有效途径之一。本论文针对高速列车主动安全控制的关键问题——列车牵引与制动控制，研究如何通过（已有的）先进控制技术，构建列车可靠牵引与制动容错控制体系，使列车达到运行速度稳定，停车精准，安全可靠。　　论文核心工作包括建立考虑运行环境影响的列车动力学模型，研究列车运行中牵引（制动）力与列车运行位移、运行速度以及加（减）速度的相互关系，分析列车系统的固有特性，结合速度与位移的跟踪控制目标，利用先进控制理论建立有效的鲁棒自适应及容错牵引与制动控制策略。研究考虑了列车的高速运行空气阻力和轨道环境附加阻力、牵引电机/制动装置的饱和非线性特性、相邻车厢间的车间力以及可能的执行器/传感器故障。　　论文基于动力学原理，对列车系统进行了详细的物理建模。论文分析了列车牵引与制动动态的不同，在列车单质点与多质点模型基础上建立了能够反应列车牵引与制动特性的列车模型，并考虑了列车多级牵引与制动的实际状况。同时，论文提出了一种新的“多质点单位移”列车时域动态模型，其中考虑了输入饱和、输入非线性以及牵引/制动设备电路的不同结构。该模型不仅能反映列车多质点特性，同时可以刻画车厢间的相互影响，并且模型维数低、结构简单。该模型的建立为分析设计有效的控制策略奠定了重要基础。　　论文针对高速列车固有的运行环境随机时变、车厢间影响不可测、模型参数不确定、运行阻力系数未知（甚至时变）以及可能出现的牵引/制动故障，考虑了列车模型不确定、参数时变、外部干扰、未知车间力、输入非线性与饱和受限以及不确定的执行器/传感器故障对控制系统的影响，系统地研究了列车牵引与制动跟踪控制问题。为了解决列车系统参数以及阻力系数复杂时变的问题，论文提出了“虚拟参数”的概念，通过构建含虚拟参数估计误差的Lyapunov函数，结合先进控制方法，建立了可靠的高速列车鲁棒自适应及容错控制方案，实现了不依赖各种未知系统参数、列车阻力系数、精确故障信息以及车间力信息的鲁棒自适应牵引/制动容错控制，确保列车在正常或者出现牵引/制动故障时安全可靠运行。与目前列车系统广泛采用的冗余技术与故障诊断策略不同，论文通过分析和提取系统关键信息（核心特征），实现了对牵引与制动设备故障及其它不确定因素的实时有效补偿，在鲁棒性和自适应性得到保证的同时，还省去了精确故障检测和诊断环节，实现了列车全局可靠主动容错控制，是一种从“故障后被动处理”到“故障前主动预防”机制上的根本改变。相关控制方案在高速列车系统中是首次成功尝试。
作者：	宋琦
专业：	交通信息工程及控制
导师：	宋永端
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文